永磁无刷直流电动机

1、Permanent Magnet Brushless DC Motors (PM BLDCMs)三相三状态BLDCM 原理传感器：传感器：H1=1 H2=0 H3=1导通相：导通相：B传感器：传感器：H1=1 H2=0 H3=0导通相：导通相：B传感器：传感器：H1=1 H2=1 H3=0导通相：导通相：C传感器：传感器：H1=0 H2=1 H3=0导通相：导通相：C传感器：传感器：H1=0 H2=1 H3=1导通相：导通相：A传感器：传感器：H1=0 H2=0 H3=1导通相：导通相：A传感器：传感器：H1=1 H2=0 H3=1导通相：导通相：B电动机电动机控制器控制器直流电源直流电源位置

2、传感器位置传感器输出输出无刷直流电机构成框图无刷直流电机构成框图1-1 基本原理基本原理永磁无刷直流电机系统图永磁无刷直流电机系统图控制电路对转子位置传感器检测的信号进行逻辑变换控制电路对转子位置传感器检测的信号进行逻辑变换后产生脉宽调制后产生脉宽调制PWMPWM信号，经过驱动电路放大送至逆信号，经过驱动电路放大送至逆变器各功率开关管，从而控制电动机各相绕组按一定变器各功率开关管，从而控制电动机各相绕组按一定顺序工作，在电机气隙中产生跳跃式旋转磁场。顺序工作，在电机气隙中产生跳跃式旋转磁场。工作原理工作原理磁极图示位置磁极图示位置位置信号位置信号逻辑变换逻辑变换V1、V6开通开通 A、B相导通

3、相导通I:E+-A-B-E- 电机顺时针旋转电机顺时针旋转磁极转过磁极转过60o图示位置图示位置位置信号位置信号逻辑变换逻辑变换V1、V2 开通开通 A、C相导通相导通I: E+-A-C-E- 电机顺时针旋转电机顺时针旋转转子每转过转子每转过60o，逆变器开关管换流一次、定子磁状，逆变器开关管换流一次、定子磁状态改变一次，电机有态改变一次，电机有6个磁状态，三相各导通个磁状态，三相各导通120o转子磁场顺时针连续旋转、定子磁场隔转子磁场顺时针连续旋转、定子磁场隔60O跳跃旋转跳跃旋转两相导通星形三相六状态时绕组和开关管导通顺序表两相导通星形三相六状态时绕组和开关管导通顺序表1-2 基本结构基本

4、结构1） 电机本体电机本体定子：与普通异步电机相同，铁心中嵌三相定子：与普通异步电机相同，铁心中嵌三相或多相对称绕组或多相对称绕组转子：永磁结构转子：永磁结构瓦形（径向磁化）瓦形（径向磁化） 矩形矩形(切向磁化切向磁化) 环形环形(径向磁化径向磁化) 1转轴；转轴；2前端盖前端盖；3螺钉，螺钉，4垫片；垫片；5轴承；轴承；6定子；定子； 7一转子；一转子；8一传感器转子；一传感器转子；9后端盖；后端盖；10传感器定子传感器定子稀土水磁无刷直流电动机结构示意图稀土水磁无刷直流电动机结构示意图三相星形三状态三相星形三状态2) 逆变器：最常用的为逆变器：最常用的为三相星形六状三相星形六状态态 和和三

5、相星形三状态三相星形三状态三相星形六状态三相星形六状态3) 位置传感器位置传感器 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置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场垂直，则置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场垂直，则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场，在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场，这个现象是霍普金斯大学研究生霍尔于这个现象是霍普金斯大学研究生霍尔于1879年发现的，年发现的，后被称为后被称为。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础霍尔器件以霍尔效应为其工作基

6、础，是一种磁传感器。是一种磁传感器。可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。中使用。霍尔传感器主要有两大类，一类为霍尔传感器主要有两大类，一类为，一类为，一类为线性霍尔器件线性霍尔器件。Hall IC 安装方式第一种方式：第一种方式：将霍尔元件粘贴于电机端盖内表面，将霍尔元件粘贴于电机端盖内表面，靠近霍尔元件并与之有一小间隙处，安装着与电靠近霍尔元件并与之有一小间隙处，安装着与电机轴同轴的永磁体。机轴同轴的永磁体。第二种方式：第二种方式：直接将霍尔元件敷贴在定子电枢铁心直接将霍尔元件敷贴在定子电枢铁心气隙表面或绕组端部紧靠铁心处，利用

7、电机转子上气隙表面或绕组端部紧靠铁心处，利用电机转子上的稀土磁体主极作为传感器的水滋体，根据霍尔元的稀土磁体主极作为传感器的水滋体，根据霍尔元件的输出信号即可判断转子磁极的位置，将信号放件的输出信号即可判断转子磁极的位置，将信号放大处理后便可驱动逆变器工作。大处理后便可驱动逆变器工作。Hall IC 安装示意图1、三个霍尔元件在空间依次相差120o电角度2、传感器磁极与转子磁极同轴旋转、极数相等、极性相对应电磁式位置传感器的定子由磁芯、高频激磁绕组和输出绕组组成，转子由扇形磁芯和非导磁衬套组成定、转子磁芯均由高频导滋材料(如软磁铁氧体)制成。电机运行时，输入绕组中通以高频激磁电流，当转子扇形磁

8、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。优点1：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。优点2：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。缺点：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。2 三相永磁无刷直流电动机基三相永磁无刷直流电动机基本公式与数学模型本公式与数学模型无刷直流电机的磁场、电势、电流波形无刷直流电机的磁场、电势、电流波形2-1 基本公式基本公式(三相六状态三相六状态)1 1电枢绕组感应

9、电势电枢绕组感应电势单根导体在气隙磁场中感应电势单根导体在气隙磁场中感应电势e=BLv)/(60260smnpnDv如电枢绕组每相串联匝数为如电枢绕组每相串联匝数为W ，则每相绕组的感，则每相绕组的感应电势为应电势为又因为又因为所以：所以：对于三相六状态电机对于三相六状态电机,线电压为：线电压为：无刷直流电机电动势公式与直流电机相似无刷直流电机电动势公式与直流电机相似2 2电枢电流电枢电流电压平衡方程式：电压平衡方程式：电源电压开关管的饱开关管的饱和管压降和管压降电阻压降电枢电流为：电枢电流为：3. 3. 电磁转矩电磁转矩所以： Tem=CTIa2-2 三相永磁无刷直流电动机数学模型三相永磁无

10、刷直流电动机数学模型定子相绕组电压定子相绕组电流定子相绕组自感、互感定子相绕组电动势微分算子：ia+ib+ic=0Mia+Mib=-MicMib+Mic=-MiaMia+Mic=-Mib电机负载时电枢磁场对主磁场的影响称为电机负载时电枢磁场对主磁场的影响称为电电枢反应枢反应。电抠反应与磁路的饱和程度、转向、电抠绕电抠反应与磁路的饱和程度、转向、电抠绕组联结方式、导通顺序和磁状态角的大小有组联结方式、导通顺序和磁状态角的大小有关。关。二相导通星形三相六状态为例对电枢反应进二相导通星形三相六状态为例对电枢反应进行分析行分析m增磁或去磁的数值等于增磁或去磁的数值等于电枢合成磁势电枢合成磁势Fa在转子

11、磁极在转子磁极轴线上的投影，其最大值为：轴线上的投影，其最大值为：相磁势：相磁势：电枢合成磁势电枢合成磁势:由于功率开关管只能单向导通，所以由于功率开关管只能单向导通，所以BLDCM反转不能靠通以反向电压实反转不能靠通以反向电压实现。只有靠控制绕组的导通顺序来实现。只有靠控制绕组的导通顺序来实现。现。Hall ICPMPM正转时相互位置关系正转时相互位置关系uha=uhb=1uhc=0AB导通导通uha=uhc=0uhb=1AC导通导通反转时相互位置关系反转时相互位置关系uhb=uhc=1uha=0BC导通导通uha=uhc=0uhb=1AC导通导通永磁无刷直流电动机的机械特性与有刷直流电动永

12、磁无刷直流电动机的机械特性与有刷直流电动机的机械特性的表达式相同，机械特性较硬。机的机械特性的表达式相同，机械特性较硬。但由于公式是在忽略电枢绕组电感时得到的，故但由于公式是在忽略电枢绕组电感时得到的，故与实际电机的机械待性有一定区别。与实际电机的机械待性有一定区别。永磁无刷直流电动永磁无刷直流电动机的机械特性曲线机的机械特性曲线对比对比机械机械 特性曲线组特性曲线组调节特性曲线组换相前换相前:AC导通导通V1A C V2换相中：换相中：BC通、通、A续流续流V3B C V2ACV2 D4 A(A相续流)换相后：换相后：BC通通V3B C V2令令ia(tf )0，得，得ia降为零的时间降为零

13、的时间tf 此时此时在非换向时，即每个导通状态内，电机的电磁转矩为在非换向时，即每个导通状态内，电机的电磁转矩为5 永磁无刷直流电动机的控制器永磁无刷直流电动机的控制器5-1 开关主电路开关主电路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MOS

14、FET、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IPM5-2 驱动电路驱动电路 驱动电路驱动电路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些参数和特性，从而影响着整个电机控制系统的正常工作。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。常见集成驱动电路常见集成驱动电路 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：1)对对转子位置传感器输出的信号、PWM调制信号、正反转和停车信号进行逻辑综合信号进行逻辑综合,

15、给驱动电路提供各开关管的斩波和选通信号, 实现电机的正反转及停车控制。2)产生PWM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。3)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。4)实现短路、过流和欠压等故障保护功能等。控制电路的形式:1、分立元件全模拟电路经济型2、专用集成控制电路 规模化、专用3、数模混合控制电路 半数字化 (PID)4、全数字控制电路 高性能(MCU DSP)eg1: 以以8098单片机为核心的数字式控制电路单片机为核心的数字式控制电路输入信号输入信号：转子位置传感器送来的VA、VB、VC，正反转及停车信号ZZ、FZ、STO

16、P，过流信号IP及调速信号P0.4。至驱动电路的信号为UGl一UG6和PWM斩波信号。单片机8098、锁存器74LS373和片外程序存储器27128 (EPROM)组成8098。两片可编程逻辑器件可编程逻辑器件GAL16V8实现对输入信号的逻辑综合。8098单片机通过软件软件实现PWM斩波信号输出、最佳起动过程，通过对位置传感器的信号计算测量转速、实现速度闭环和电流闭环的PID控制等功能。以以8098单片机为核心的单片机为核心的eg2: 实用型控制器实用型控制器实用型控制器介绍实用型控制器介绍1) 开关主电路开关主电路电源电压电源电压48VDC，经，经LC滤波电路输出稳定的滤波电路输出稳定的4

17、8V电压。电压。采用三相桥式逆变器，工作方式为采用三相桥式逆变器，工作方式为120o导通型导通型星形三相六状态。星形三相六状态。功率开关管功率开关管T1T 6选用高速型选用高速型MOSFET器件器件IR540，D1D6为续流二极管。为续流二极管。采用一个整体型采用一个整体型RCD缓冲电路。缓冲电路。采用采用IR公司的公司的6单元驱动集成电路单元驱动集成电路IR2130，该电路采，该电路采用上桥臂自举电容工作，驱动用上桥臂自举电容工作，驱动6个单元仅用一路个单元仅用一路10-20V电源。电源。输入信号可与输入信号可与TTL、MOS器件接口。器件接口。芯片内部具有欠压锁定、外部过流封锁和故障输出指

18、芯片内部具有欠压锁定、外部过流封锁和故障输出指示功能。示功能。旦过流保护或欠压锁定，旦过流保护或欠压锁定，LA2会发光指示。会发光指示。调节调节W3可调节过流保护值。为了防止干扰引起误触可调节过流保护值。为了防止干扰引起误触发而产生假过流现象，在发而产生假过流现象，在IR2130的的9脚过流封锁端加脚过流封锁端加一小电容进行滤波。一小电容进行滤波。包括包括PWM生成电路生成电路和和逻辑综合电路逻辑综合电路两部分。两部分。PWM生成电路采用生成电路采用SG3525PWM脉冲形成电路来产生斩波脉冲形成电路来产生斩波调压信号。调压信号。SG3525工作时，脚工作时，脚11、l 4输出两路互差输出两路互差180o的的PWM信号，信号，调节调节W1可使可使PWM占空比在占空比在00. 98范围内变化。范围内变化。逻辑综合电路用逻辑综合电路用GALl6V8门阵列可编程器件来实现。门阵列可编程器件来实现。三个霍尔元件三个霍尔元件(HA、HB、HC)输出信号经上拉电阻后变为输出信号经上拉电阻后变为+5V开关脉冲，送入开关脉冲，送入GALl6V8。正、反转信号经开关正、反转信号经开关K来实现，停机操作由来实现，停机操作由PWM脉冲信号脉冲信号为零来保证。为零来保证。以上信号按以上信号按120o三相六状态导通规则进行逻辑合成，生成三相六状态导通规则进