无刷直流电动机(数字传动)

1、第5章 无刷直流电动机的原理及单片机控制1v直流电机直流电机 的优点的优点： 线性机械特性线性机械特性 、宽的调速范围、大的启动转矩、简单的控、宽的调速范围、大的启动转矩、简单的控制电路制电路 直流电机的缺点直流电机的缺点：结构中带有电刷和换向器：结构中带有电刷和换向器 ，影响了调速，影响了调速的精度的精度 直流无刷电动机的产生直流无刷电动机的产生：用电子换向装置代替机械换向装：用电子换向装置代替机械换向装置，保留了直流电机的优点，还具有交流电机结构简单，维置，保留了直流电机的优点，还具有交流电机结构简单，维修方便，运行可靠修方便，运行可靠23一、一、 基本组成基本组成 位置检测器位置检测器

2、开关电路开关电路 电机本体电机本体 负载负载 直流电直流电 源源 无刷直流电机构成框图无刷直流电机构成框图电力电子功率器件电力电子功率器件定子绕组定子绕组4 定定子子 永永磁磁转转子子 传传感感器器定定子子 传传感感器器转转子子 (a) 结构示意图结构示意图 (b) 定转子实际结构定转子实际结构 无刷直流电动机的基本结构无刷直流电动机的基本结构 永磁转子结构型式永磁转子结构型式 凸极式凸极式 内嵌式内嵌式7 磁敏式位置传感器磁敏式位置传感器 霍尔元件霍尔元件 电磁式位置信感器电磁式位置信感器 高频线圈高频线圈 光电式位置信感器光电式位置信感器 光耦合器件光耦合器件8定、转子磁芯均由高频导磁材料

3、(如软磁铁氧体)制成。定子有6个级，间隔的三个极为同一绕组，接高频电源，作为励磁极，其他为感应极，作为输出端。电机运行时，输入绕组中通以高频激磁电流，当转子扇形磁芯处在输出绕组下面时，输入和输出绕组通过定、转子磁芯耦台，输出绕组中则感应出高频信号，经滤波整形和逻辑处理后，即可控制逆变器开关管。9电磁式传感器具有较高的强度，可经受较大的振动冲击，故多用于航空航天领域。电磁式位置传感器输出信号较大，一般不需要经过放大便可直接驱动开关管，但因输出电压是交流，必须先整流。传感器过于笨重复杂，因而大大限制了其在普通条件下的应用。 光电式位置传感器光电式位置传感器（利用光电效应）（利用光电效应） v固定在

4、定子上的几个光电耦合开关固定在定子上的几个光电耦合开关和固定在转子轴上的遮光盘所组成和固定在转子轴上的遮光盘所组成每只光电耦合开关是由相互对着的每只光电耦合开关是由相互对着的红外发光二极管红外发光二极管(或激光器或激光器)和光电管和光电管(光电二极管，光电二极管， 三极管或光电池三极管或光电池)所所组成。组成。 红外发光二极管红外发光二极管(或激光器或激光器)通上电后，通上电后， 发出红外光发出红外光(或激光或激光)； 当遮光盘随着转轴转动时，当遮光盘随着转轴转动时， 光线依光线依次通过光槽次通过光槽(孔孔)， 使对着的光电管使对着的光电管导通，导通， 相应地产生反应转子相对定相应地产生反应转

5、子相对定子位置的电信号，子位置的电信号， 经放大后去控制经放大后去控制功率晶体管，功率晶体管， 使相应的定子绕组切使相应的定子绕组切换电流。换电流。光电式位置传感器产生的光电式位置传感器产生的电信号一般都较弱，电信号一般都较弱， 需要经过放大需要经过放大才能去控制功率晶体管。才能去控制功率晶体管。 但它输出但它输出的是直流电信号，的是直流电信号， 不必再进行整流不必再进行整流， 这是它的一个优点这是它的一个优点光电式位置传感器11数字信号数字信号无刷直流电动机工作原理无刷直流电动机工作原理 普通直流电动机的电枢在转子上，而定子产生固定不动的磁场普通直流电动机的电枢在转子上，而定子产生固定不动的

6、磁场。为了使直流电动机旋转，需要通过换向器和电刷不断改变电枢绕。为了使直流电动机旋转，需要通过换向器和电刷不断改变电枢绕组中电流的方向，使两个磁场的方向始终保持相互垂直，从而产生组中电流的方向，使两个磁场的方向始终保持相互垂直，从而产生恒定的转矩驱动电动机不断旋转。恒定的转矩驱动电动机不断旋转。 无刷直流电动机为了去掉电刷，将电枢放到定子上去，而转子无刷直流电动机为了去掉电刷，将电枢放到定子上去，而转子制成永磁体，这样的结构正好和普通直流电动机相反；然而，即使制成永磁体，这样的结构正好和普通直流电动机相反；然而，即使这样改变还不够，因为定子上的电枢通过直流电后，只能产生不变这样改变还不够，因为

7、定子上的电枢通过直流电后，只能产生不变的磁场，电动机依然转不起来。为了使电动机转起来，必须使定子的磁场，电动机依然转不起来。为了使电动机转起来，必须使定子电枢各相绕组不断地换相通电，这样才能使定子磁场随着转子的位电枢各相绕组不断地换相通电，这样才能使定子磁场随着转子的位置在不断地变化，使定子磁场与转子永磁磁场始终保持左右的空间置在不断地变化，使定子磁场与转子永磁磁场始终保持左右的空间角，产生转矩推动转子旋转。角，产生转矩推动转子旋转。 1213无刷直流电动机原理图（三相无刷直流电动机原理图（三相 光电式位置传感器）光电式位置传感器）14 15 US A B C D b) b) 四相半桥主电路四

8、相半桥主电路 US A B C a) a) 三相半桥主电路三相半桥主电路1) 非桥式（半桥式）非桥式（半桥式）半控型半控型162) 桥式桥式全控型全控型c) c) 星形联结三相桥式主电路星形联结三相桥式主电路 US VD1 VD4 VT1 VT4 VD5 VD2 VT3 VT6 VD3 VD6 VT5 VT2 A B C 17d) 三角形联结三相桥式主电路三角形联结三相桥式主电路 2) 桥式桥式全控型全控型 US VD1 VD4 VT1 VT4 VD5 VD2 VT3 VT6 VD3 VD6 VT5 VT2 A B C 18 VT2 VT6 VT4 VT1 VT3 VT5 A B C + US

9、 - - 位置检测器的三个输出信号通过逻辑电路控制这些位置检测器的三个输出信号通过逻辑电路控制这些开关管的导通和截止，其控制方式有两种：开关管的导通和截止，其控制方式有两种：。v二二导通方式二二导通方式 VT2 VT6 VT4 VT1 VT3 VT5 A B C + US - - 开关管的导通顺序决定共有6种导通状态，间隔60电角度改变一次导通状态，每改变一次状态更换一个开关管，每个开关管导通120电角度，每相绕组导通240。当V1 ,V2导通时，电流的线路为：电源 V1 A相绕组 C相绕组 V2 地 ，其中A相绕组和C相绕组相当于串联. 这种连接方式。比半桥方式绕组的利用率增加了，输出转矩也

10、增加了。v三三导通方式三三导通方式 VT2 VT6 VT4 VT1 VT3 VT5 A B C + US - - 开关管的导通顺序决定共有6种导通状态，间隔60电角度改变一次导通状态，每改变一次状态更换一个开关管，每个开关管导通180电角度，导通的时间增加了。当V1 ,V2， V3导通时，电流的线路为：电源 V1V3 A相绕组和B相绕组C相绕组V2地 ，其中A相绕组和B相绕组相当于并联，在与C相串联.因为三相同时通电，产生的转矩分量互有抵消，所以总的转矩并不比二二导通方式大。vPWM控制方式调速方式：PWM _ON ON_PWMPWM _ONPWM _ONPWM _ON 22无刷直流电动机的P

11、WM控制方式 与直流电机调速方式一样，通过调整PWM占空比来调速。已三相星形连接二二导通方式为例说明（1）PWM_ON 方式 每个开关管在120导通区间内，前60进行PWM控制，后60保持常开。（2） ON_PWM方式 每个开关管在120导通区间内，前60保持常开，后60进行PWM控制。(3)H-PWM-L-ON方式 在120导通区间内，上桥臂开关管进行PWM控制，下桥臂开关管保持常开。(4)H-PWM-L-PWM方式 在120导通区间内，上桥臂开关管进行PWM控制，下桥臂开关管保持常开。v普通直流电机正反转控制：改变励磁磁场的极性，或是改变电枢电流的方向。v无刷直流电机控制与他相同v难点：开

12、关电路中的开关管具有单向导电性，因此，实现起来要有些难度。1.三相半桥反转两图比较（1）正转和反转状态中，转子相差了180，位置传感器的输出不能直接去控制电动机的反转。（2）正转通电顺序 A B C 反转通电顺序 C B A办法：增加一套控制反转的位置传感器，但是这样并不经济，安装也很困难，v在当前状态中，要改变绕组通电状态 在（a）中，要使C相导通。v方法：设计一个逻辑电路，按照表中所示状态进行逻辑转换。138译码器A B C 000 输出Y0 001 Y1 010 Y2 100 Y42930311 1、 开关主电路开关主电路32滤波电路滤波电路实现直流电源的低通滤波，形成低内阻硬持性直流电

13、压源，同时与绕组感性负载交换无功功率，其功能由大电容C2实现缓冲电路缓冲电路是为减少开关管承受的尖峰电压。由R3、C3、D7组成RDC缓冲电路。缓冲电容C3应选用高频特性好的无感电容，D7应选择过渡正向电压低、反向恢复时间短的快速恢复二极管。逆变电路：逆变电路：功率开关管T1T6、续流二极管D1D6功率开关管TlT6通常为GTR、功率MOSFET、IGBT、GTO以及MCT等功率电子器件，也可以为功率集成电路PIC或智能功率模块IPM33 驱动电路驱动电路将控制电路的输出信号进行功率放将控制电路的输出信号进行功率放大，并向各开关管送去能使其饱和导通和可大，并向各开关管送去能使其饱和导通和可靠关

14、断的驱动信号。靠关断的驱动信号。驱动电路的工作方式直接影响着开关管的一驱动电路的工作方式直接影响着开关管的一些参数和特性，从而影响着整个电机控制系些参数和特性，从而影响着整个电机控制系统的正常工作。统的正常工作。开关管的种类不同，对驱动信号的要求也不开关管的种类不同，对驱动信号的要求也不同，因而对应的驱动电路也不同。同，因而对应的驱动电路也不同。34常见集成驱动电路常见集成驱动电路35控制电路是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速控制电路是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，它主要完成以下功能：伺服功能的指挥中心，它主要完成以下功能：1)对转子位置传感器输出的信号、对转子位

15、置传感器输出的信号、PWM调制信号、正调制信号、正反转和停车反转和停车信号进行逻辑综合信号进行逻辑综合, 给驱动电路提供各开关给驱动电路提供各开关管的斩波和选通信号管的斩波和选通信号, 实现电机的正反转及停车控制。实现电机的正反转及停车控制。2)产生产生PWM调制信号，使电机的电压随给定速度信号调制信号，使电机的电压随给定速度信号而自动变化，实现电机开环调速。而自动变化，实现电机开环调速。3)对电动机进行速度闭环调节和电流闭环调节，使系对电动机进行速度闭环调节和电流闭环调节，使系统具有较好的动态和静态性能。统具有较好的动态和静态性能。4)实现短路、过流和欠压等故障保护功能等。实现短路、过流和欠

16、压等故障保护功能等。36控制电路的形式控制电路的形式:1、分立元件全模拟电路、分立元件全模拟电路经济型经济型2、专用集成控制电路、专用集成控制电路 规模化、专用规模化、专用3、数模混合控制电路、数模混合控制电路 半数字化半数字化 (PID)4、全数字控制电路、全数字控制电路 高性能高性能(MCU DSP)37 38 39 40具有具有PWM 开环速度控制、使能控制开环速度控制、使能控制(起动或停止起动或停止)、正反转控制和能耗制动控制等功能正反转控制和能耗制动控制等功能 在外围加少许元件，便可以实现软起动，调试及检在外围加少许元件，便可以实现软起动，调试及检测非常方便测非常方便 内部有锯齿波振

17、荡器，频率可以根据需要进行设定内部有锯齿波振荡器，频率可以根据需要进行设定 具有过流保护、欠压保护、过热保护功能具有过流保护、欠压保护、过热保护功能 20脚塑封封装，内部带有温度补偿基准电源和转子脚塑封封装，内部带有温度补偿基准电源和转子位置传感器译码电路位置传感器译码电路 41 42 43 44片内含有片内含有PWM转速控制电路，根据参考值进行变转速控制电路，根据参考值进行变速控制。速度环由片内放大器控制，速度信号的检速控制。速度环由片内放大器控制，速度信号的检测通过监测测通过监测VCO(压控振荡器压控振荡器)的输出来完成的输出来完成 采用专门的起动技术，起动顺序为：检测位置、驱采用专门的起

18、动技术，起动顺序为：检测位置、驱动、加速、设定速度；起动速度快，起动时无反转动、加速、设定速度；起动速度快，起动时无反转 只用一个外部电阻就可调节和设定所有临界电流只用一个外部电阻就可调节和设定所有临界电流 可直接驱动可直接驱动12V电机的场效应管；也可用高端电机的场效应管；也可用高端(对对应逆变器的上桥臂应逆变器的上桥臂)栅极驱动器驱动高压电机；可栅极驱动器驱动高压电机；可直接驱动外部场效应管的栅极且确保其不被击穿直接驱动外部场效应管的栅极且确保其不被击穿 由压控振荡器由压控振荡器(VCO)、反电动势取样误差放大器和、反电动势取样误差放大器和顺序器构成锁相环，利用锁相技术实现三相无刷直顺序器构成锁相环，利用锁相技术实现三相无刷直流电动机的闭环换相流电动机的闭环换相 45 4647 霍尔无刷直流电动机原理图霍尔无刷直流电动机原理图 。 图中两个霍尔元件图中两个霍尔元件H1和和H2以间隔以间隔90电角度粘于电机电角度粘于电机定子绕组定子绕组A和和B的轴线上，的轴线上， 并通上控制电流，并通上控制电流， 电机转子电机转子磁钢兼作位置