伺服系统 第2版 钱平 第5章 无刷直流电动机控制系统新ppt课件

1、在线教务辅导网：在线教务辅导网：shangfuwang 更多课程配套课件资源请访问在线教务辅导网更多课程配套课件资源请访问在线教务辅导网无刷直流电动机控制系统无刷直流电动机控制系统第 5 章内容提要内容提要n第一节第一节 无刷直流电动机的组成构造和任务原理无刷直流电动机的组成构造和任务原理n第二节第二节 无刷直流电动机的根本公式和数学模型无刷直流电动机的根本公式和数学模型n第三节第三节 无刷直流电动机的转矩的动摇无刷直流电动机的转矩的动摇 n第四节第四节 无刷直流电动机的驱动控制无刷直流电动机的驱动控制n第五节第五节 无位置传感器的无刷直流电动机的驱动控制无位置传感器的无刷直流电动机的驱动控制

2、 n第六节第六节 无刷直流电动机驱动控制的公用芯片引见无刷直流电动机驱动控制的公用芯片引见 第 5 章第一节第一节无刷直流电动机的组成构造无刷直流电动机的组成构造和任务原理和任务原理第一节第一节无刷直流电动机的组成构造和无刷直流电动机的组成构造和任务原理任务原理n无刷直流电动机简称无刷直流电动机和有刷直流电动机相比，无刷直流电动机由于革除了滑动接触机构，因此消除了缺点的主要根源。n有专家以为无刷直流电动机将作为信息时代的主要执行部件在各行各业得到最广泛的运用。第一节第一节无刷直流电动机的组成构造和无刷直流电动机的组成构造和任务原理任务原理n三相永磁无刷直流电动机和普通的永磁有刷直流电动机相比，

3、在构造上有很多相近或类似之处：n用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极，器具有三相绕组的定子取代电枢，用逆变器和转子位置检测器组成的电子换向器取代有刷直流电动机的机械换向器和电刷，就得到了三相永磁无刷直流电动机。 第一节第一节无刷直流电动机的组成构造和无刷直流电动机的组成构造和任务原理任务原理n一、三相永磁无刷直流电动机的构造特点一、三相永磁无刷直流电动机的构造特点n三相永磁无刷直流电动机属于三相永磁同步电三相永磁无刷直流电动机属于三相永磁同步电动机的范畴，永磁同步电动机的磁场来自电动动机的范畴，永磁同步电动机的磁场来自电动机转子上的永久磁铁，永久磁铁的特性，在很机转子上的永久磁铁，永

4、久磁铁的特性，在很大程度上决议了电动机的特性，目前采用的永大程度上决议了电动机的特性，目前采用的永磁资料主要有铁淦氧、铝镍钴、钕铁硼以及磁资料主要有铁淦氧、铝镍钴、钕铁硼以及SmCO5和和Sm2CO17。n 图图6-1-1对比了现用的几种永久磁铁的磁特性。对比了现用的几种永久磁铁的磁特性。由图可知，铝镍钴永磁合金的磁场强度由图可知，铝镍钴永磁合金的磁场强度H值范值范围是很小的。铁淦氧磁铁那么在磁感应强度围是很小的。铁淦氧磁铁那么在磁感应强度B和磁场强度和磁场强度H的小范围内成线性关系。线性关的小范围内成线性关系。线性关系范围最大的就是钕铁硼合金，它被称为第三系范围最大的就是钕铁硼合金，它被称为

5、第三代稀土永磁合金。代稀土永磁合金。n铁淦氧磁铁系紧缩成型，耐冲击性差，但价钱铁淦氧磁铁系紧缩成型，耐冲击性差，但价钱廉价。而廉价。而SmCO5和和Sm2CO17磁铁系烧结而磁铁系烧结而成，价钱贵。钕铁硼合金那么具有最大磁性积，成，价钱贵。钕铁硼合金那么具有最大磁性积，但温度系数比较大。但温度系数比较大。第一节第一节无刷直流电动机的组成构造和无刷直流电动机的组成构造和任务原理任务原理铝镍钴1206BTH/Am-1100.80.40203106/42106/44106/41106/45106/4铁淦氧钕铁硼合金SmCO3Sm2CO17图5-1 几种永久磁铁的磁特性对比第一节第一节无刷直流电动机的

6、组成构造和无刷直流电动机的组成构造和任务原理任务原理n在转子上安顿永久磁铁的方式有两种。n一种是将成型永久磁铁装在转子外表，即所谓外装式；n另一种是将成型永久磁铁埋入转子里面，即所谓内装式，见图5-2。第一节第一节无刷直流电动机的组成构造和无刷直流电动机的组成构造和任务原理任务原理d轴q轴q轴d轴ab图5-2 安装永久磁铁的方式a外装式b内装式SN S 转子转子NNSNS第一节第一节无刷直流电动机的组成构造和无刷直流电动机的组成构造和任务原理任务原理n根据永久磁铁安装在转子上的方法的不同，永久磁铁的外形可分为扇形和矩形两种，从而有如图5-3所示的永久磁铁转子的不同构造。扇形磁铁构造的转子具有电

7、枢电感小，齿槽效应转矩小的优点。但易受电枢反响的影响，且由于磁通不能够集中，气隙磁密度低，电极呈现凸极特性。n矩形磁铁构造的转子呈现凸极特性，电枢电感大，齿槽效应转矩大。但磁通可集中，构成高磁通密度，故适于大容量电动机。由于电动机呈现凸极特性，可以利用磁阻转矩。n此外，这种转子构造的永久磁铁不易飞出，故可适宜于高速运转。第一节第一节无刷直流电动机的组成构造和无刷直流电动机的组成构造和任务原理任务原理铁心定 子 线 圈永久磁铁永久磁铁非磁体永久磁铁非磁体铁心铁心图5-3 三相永磁同步伺服电动机转子的构造a扇形磁铁转子b矩形磁铁转子SSSSSSSSSSSSSNNNNNNNNNNNNNNS第一节第一

8、节无刷直流电动机的组成构造和无刷直流电动机的组成构造和任务原理任务原理n根据确定的转子构造所对应的每相励磁磁势分布的不同，三相永磁同步电动机可分为两种类型：n正弦波型永磁同步电动机和方波型永磁同步电动机n前者每相励磁磁势分布是正弦波状，后者每相励磁磁势分布呈方波状，根据磁路构造和永磁体外形的不同而不同。第一节第一节无刷直流电动机的组成构造和无刷直流电动机的组成构造和任务原理任务原理n应该指出稀土永磁方波型电动机属于永磁无刷直流电动机的范畴，而稀土永磁正弦波型电动机那么普通作为三相交流永磁同步伺服电动机来运用。n终究是三相永磁无刷直流电动机还是三相交流永磁同步伺服电动机主要取决于电动机控制系统的

9、控制方式，取决于电动机的转子位置传感器的类型。第一节第一节无刷直流电动机的组成构造和无刷直流电动机的组成构造和任务原理任务原理n二、三相永磁无刷直流电动机的转子位置传感器二、三相永磁无刷直流电动机的转子位置传感器n永磁同步电动机的控制系统都属于自控式变频系统，永磁同步电动机的控制系统都属于自控式变频系统，就是说电动机的换相形状是由转子的位置决议的，电就是说电动机的换相形状是由转子的位置决议的，电动机的控制频率是由转子的运转速度决议的，这就需动机的控制频率是由转子的运转速度决议的，这就需求转子的位置检测器。求转子的位置检测器。n转子的位置检测器有多种，正弦波永磁同步电动机普转子的位置检测器有多种

10、，正弦波永磁同步电动机普通采用：旋转变压器、绝对式光电脉冲编码器或增量通采用：旋转变压器、绝对式光电脉冲编码器或增量式光电脉冲编码器作为位置检测元件，而在永磁无刷式光电脉冲编码器作为位置检测元件，而在永磁无刷直流电动机方波电动机中，普通采用简易型的位直流电动机方波电动机中，普通采用简易型的位置检测器。置检测器。n该器件不能用来检测转子的准确位置，其检测精度通该器件不能用来检测转子的准确位置，其检测精度通常只需常只需600电角度。其主要作用是为了满足电动电角度。其主要作用是为了满足电动机换相的要求。机换相的要求。 第一节第一节无刷直流电动机的组成构造和无刷直流电动机的组成构造和任务原理任务原理n

11、位置传感器是无刷直流电动机系统的组成部分之一，也是区别于有刷直流电动机的主要标志。n作用是：检测主转子在运动过程中的位置，将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，为逻辑开关电路提供正确的换置信息，以控制它们的导通与截止，使电动机电枢绕组中的电流随着转子位置的变化按次序换向，构成气隙中步进式的旋转磁场，驱动永磁转子延续不断地旋转。 第一节第一节无刷直流电动机的组成构造和无刷直流电动机的组成构造和任务原理任务原理n位置传感器的种类有很多，有电磁式、光电式、磁敏式等。n它们各具特点，然而由于磁敏式霍尔位置传感器具有构造简单、体积小、安装灵敏方便、易于机电一体化等优点，目前得到越来越广泛的运用。n以霍尔

12、效应原理构成的霍尔元件、霍尔集成电路、霍尔组件统称为霍尔效应磁敏传感器，简称霍尔传感器。第一节第一节无刷直流电动机的组成构造和无刷直流电动机的组成构造和任务原理任务原理n众所周知，任何带电粒子在磁场中沿着与磁力线垂直的方向运动时，都要遭到磁场的作用力该力称为洛伦兹力，其大小可用下式表示：n (5-1)n 洛伦兹力的大小与粒子的电荷量q，粒子的运动速度v及磁感应强度B成正比。当在一长方形半导体薄片上加上电场E后的情况。在没有外加磁场时，电子沿外加电场E的相反方向运动，构成一股沿电场方向的电流。当加以与外电场垂直的磁场B时，运动着的电子遭到洛伦兹力的作用将向左边偏移，并在该侧面构成电荷积累，由于该

13、电荷的积累产生了新的电场，称为霍尔电场。 qvBF 第一节第一节无刷直流电动机的组成构造和无刷直流电动机的组成构造和任务原理任务原理n霍尔电压：随着半导体横向方向边缘上的电荷积累不断添加，霍尔电场力也不断增大。它逐渐抵消了洛伦兹力，使电子不再发生偏移，从而使电子又恢复到原有的方向无偏移地运动，到达新的稳定形状，这时，在半导体两侧，就产生了一个电场，从而构成了一个电压，这就是霍尔电压。n根据霍尔效应的原理，可制成霍尔元件。对于一定的半导体薄片，其霍尔电压U可用下式表示： dBIRUHH第一节第一节无刷直流电动机的组成构造和无刷直流电动机的组成构造和任务原理任务原理n当RH、IH和d都为固定值时，

14、经过丈量电压U就可测得磁感应强度B，这就是霍尔传感器的原理。n霍尔传感器按其功能和运用可分为线性型、开关型、锁定型三种。n 一线性型 n 线性型传感器是由电压调整器、霍尔元件、差分放大器、输出级等部分组成，为变化的磁感应强度，得到与磁感应强度成线性关系的输出电压。可用于磁场丈量、电流丈量、电压丈量等。第一节第一节无刷直流电动机的组成构造和无刷直流电动机的组成构造和任务原理任务原理二开关型 开关型传感器是由电压调整器、霍尔元件、差分放大器、施密特触发器和输出级等部分组成。输人为磁感应强度，输出为开关信号。直流无刷电动机的转子位置检测器属于开关型的传感器。 直流无刷电动机的霍尔位置传感器和电动机本

15、体一样，也是由静止部分和运动部分组成，即位置传感器定子和位置传感器转子。其转子与电动机主转子一同旋转，以指示电动机主转子的位置，既可以直接利用电动机的永磁转子，也可以在转轴其他位置上另外安装永磁转子。定子由假设干个霍尔元件，按一定的间隔，等间隔地安装在传感器定子上，以检测电动机转子的位置。 第一节第一节无刷直流电动机的组成构造和无刷直流电动机的组成构造和任务原理任务原理n位置传感器的根本功能是在电动机的每一个电周期内，产生出所要求的开关形状数。n位置传感器的永磁转子每转过一对磁极(N、S极)的转角，也就是说每转过360电角度，就要产生出与电动机绕组逻辑分配形状相对应的开关形状数，以完成电动机的

16、一个换流全过程。n假设转子的极对数越多，那么在360机械角度内完成该换流全过程的次数也就越多。 第一节第一节无刷直流电动机的组成构造和无刷直流电动机的组成构造和任务原理任务原理n霍尔位置传感器必需满足以下两个条件：n1. 位置传感器在一个电周期内所产生的开关形状是不反复的，每一个开关形状所占的电角度应相等。n2. 位置传感器在一个电周期内所产生的开关形状数应和电动机的任务形状数相对应。第一节第一节无刷直流电动机的组成构造和无刷直流电动机的组成构造和任务原理任务原理n假设位置传感器输出的开关形状能满足以上条件，那么总可以经过一定的逻辑变换将位置传感器的开关形状与电动机的换向形状对应起来，进而完成

17、换向。n对于三相无刷直流电动机，其位置传感器的霍尔元件的数量是3，安装位置该当间隔120电角度， 其输出信号是Ha、Hb、Hc，波形见图5-4。第一节第一节无刷直流电动机的组成构造和无刷直流电动机的组成构造和任务原理任务原理图5-4 霍尔传感器的三相波形第一节第一节无刷直流电动机的组成构造和无刷直流电动机的组成构造和任务原理任务原理n三、三相直流无刷电动机的换向原理三、三相直流无刷电动机的换向原理n图图5-4阐明，三相永磁无刷直流电动机转子位阐明，三相永磁无刷直流电动机转子位置传感器输出信号置传感器输出信号Ha、Hb、Hc在每在每3600电电角度内给出了角度内给出了6个代码，按其顺序陈列，个代

18、码，按其顺序陈列，6个代个代码是码是101、100、110、010、011、001。当然，这一顺序与电动机的转动方向有关，假当然，这一顺序与电动机的转动方向有关，假设转向反了，代码出现的顺序也将倒过来。设转向反了，代码出现的顺序也将倒过来。n图图5-5是三相永磁无刷直流电动机的电子换向是三相永磁无刷直流电动机的电子换向器主回路，也就是由器主回路，也就是由6只功率开关元件组成的只功率开关元件组成的三相三相H形桥式逆变电路。形桥式逆变电路。第一节第一节无刷直流电动机的组成构造和无刷直流电动机的组成构造和任务原理任务原理n图5-6是三相永磁无刷直流电动机的定子绕组的构造表示图。其中虚线A-X表示与A

19、相绕组轴线相正交的位置；虚线B-Y表示与B相绕组轴线相正交的位置；虚线C-Z表示与C相绕组轴线相正交的位置；显然由A-X、B-Y、C-Z交叉构成了6个60的扇区，我们也把图5-6称作“定子空间的扇区图。第一节第一节无刷直流电动机的组成构造和无刷直流电动机的组成构造和任务原理任务原理451A B CX Y Z 图5-5 三相永磁无刷直流电动机 的电子换向器主回路326Z654321BXCYA图5-6 三相永磁无刷直流电动机 绕组构造图第一节第一节无刷直流电动机的组成构造和无刷直流电动机的组成构造和任务原理任务原理n可以经过两种不同的途径来分析无刷电动机的换相过程：n第一条途径是：利用刚刚提到的“

20、定子空间的扇区图 来分析换相过程；n第二条途径是：经过分析电动机的三相反电动势来了解换相过程。 第一节第一节无刷直流电动机的组成构造和无刷直流电动机的组成构造和任务原理任务原理n运用“定子空间扇区图分析了三相无刷直流电动机在360电角度内的换相过程，从分析可以看出，定子的磁场是步进地、跨越地前进的，每步跨越60电角度，而转子当然是延续地运转的。n从分析三相无刷直流电动机的三相反电势的角度，同样也可以了解其换相过程。n根本思绪是这样的：为了获得最大的转矩，该当使每相的反电势与该相的电流的相位一样。由于开关管的通电周期为120电角度，所以每相电流的宽度120，电流波型的中心位置该当与反电势的中心位

21、置对应。第一节第一节无刷直流电动机的组成构造和无刷直流电动机的组成构造和任务原理任务原理n无论是从“定子空间扇区图还是从电动机定子绕组的反电势来分析三相无刷电动机的换相过程，所得出的开关管的导通和关断形状与转子位置的关系都是一样的。n表5-1是对无刷直流电动机换相形状的总结。第一节第一节无刷直流电动机的组成构造和无刷直流电动机的组成构造和任务原理任务原理 前面分析的是电动机转子顺时针运转时的情况，电动机转子逆时针运转时的情况也是类似的。 第 5 章第二节第二节 无刷直流电动机无刷直流电动机的根本公式和数学模型的根本公式和数学模型第二节第二节无刷直流电动机的根本公式无刷直流电动机的根本公式和数学

22、模型和数学模型n无刷直流电动机的根本物理量有电磁转矩、电枢电流、反电势和转速等。这些物理量的表达式与电动机气隙磁场分布、绕组方式有非常亲密的关系。n对于永磁无刷直流电动机，其气隙磁场波形可以为方波，也可以实现正弦波或梯形波，对于采用稀土永磁资料的电动机，其气隙磁场普通为方波，其理想波形见图5-8。第二节第二节无刷直流电动机的根本公式无刷直流电动机的根本公式和数学模型和数学模型n对于方波气隙磁场，当定子绕组采用集中整距绕组，即每极每相槽数为1时，方波磁场在定子绕组中感应的电势为梯形波。方波气隙磁感应强度在空间的宽度应大于120电角度，从而使得在定子电枢绕组中感应的梯形波反电势的平顶宽应大于120

23、电角度。方波电动机通常采用方波电流驱动，由电子换向器向方波电动机提供三相对称的、宽度为120电角度的方波电流。方波电流应位于梯形波反电势的平顶宽度范围内，见图5-9。n下面分析方波电动机的电磁转矩、电枢电流和反电势等特性。第二节第二节无刷直流电动机的根本公式无刷直流电动机的根本公式和数学模型和数学模型图5-8 理想的方波气隙磁场OB2图5-9 梯形波反电动势和方波电流2tOe i第二节第二节无刷直流电动机的根本公式无刷直流电动机的根本公式和数学模型和数学模型n一、电枢绕组的反电势：一、电枢绕组的反电势：n式中式中 B 气隙磁感应强度；气隙磁感应强度；nl 导体的有效长度；导体的有效长度；nv

24、转子相对于定子导体的线速度。转子相对于定子导体的线速度。Blve 第二节第二节无刷直流电动机的根本公式无刷直流电动机的根本公式和数学模型和数学模型n对于线速度v有：n式中 n 电动机转速，单位为r/min；nD 电枢内径；nnp 极对数；n 极距。60260nnnDvp第二节第二节无刷直流电动机的根本公式无刷直流电动机的根本公式和数学模型和数学模型n假设定子每相绕组串联的匝数是N，那么每相绕组的反电势为：n方波气隙此感应强度对应的每极磁通为：n其中，是计算极弧系数。因此有：nlBNnNeEpX6042lB第二节第二节无刷直流电动机的根本公式无刷直流电动机的根本公式和数学模型和数学模型思索到三相

25、永磁方波电动机是两一样时通电，所以，线电势E为两相电势之和： 5-2 nNnEpX15nKnNnEEepX1522第二节第二节无刷直流电动机的根本公式无刷直流电动机的根本公式和数学模型和数学模型n二、电磁转矩二、电磁转矩n方波电动机的电磁转矩方波电动机的电磁转矩Te是由两相绕组的合成是由两相绕组的合成磁场与转子的磁场相互作用而产生的。可以利磁场与转子的磁场相互作用而产生的。可以利用功率与速度的关系来计算电磁转矩。用功率与速度的关系来计算电磁转矩。n式中式中 角速度，角速度， 。EITe602 n第二节第二节无刷直流电动机的根本公式无刷直流电动机的根本公式和数学模型和数学模型n对于转矩那么有：n

26、 5-3n 从式5-2和式5-3可以看出，三相永磁方波电动机与永磁n直流电动机有完全一样的反电势公式和转矩公式。n 下面仍以三相永磁方波电动机为例来分析无刷直流电动机的数学n模型。IKINnnnINnTMpp4602152第二节第二节无刷直流电动机的根本公式无刷直流电动机的根本公式和数学模型和数学模型n假设磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗，三相绕组完全对称，那么三相绕组的电压平衡方成为：n 5-4n对于方波电动机由于转子磁阻不随转子的位置变化，因此定子绕阻的自感和互感为常数。当采用Y型衔接时，ia+ib+ic=0,因此有 cbacbammmmmmcbacbaeeeiiidtdLLLLLLLLLi

27、iiRRRuuu000000第二节第二节无刷直流电动机的根本公式无刷直流电动机的根本公式和数学模型和数学模型n 5-5n电动机的电磁转矩为：n n 5-6cbacbammmcbacbaeeeiiidtdLLLLLLiiiRRRuuu000000000000)(1ccbbaaeieieieT 第 5 章第三节第三节 无刷直流电动机的无刷直流电动机的转矩动摇转矩动摇第三节第三节无刷直流电动机的转矩动摇无刷直流电动机的转矩动摇n转矩动摇这是永磁无刷直流电动机在运转时的一个显著特点，产生转矩动摇的缘由是多方面的，下面对其缘由逐一加以分析。n在本章第一节我们谈到过，具有120方波气隙磁场的三相永磁同步电

28、动机普通按照无刷直流电动机的任务方式运转，而具有正弦波气隙磁场的三相永磁同步电动机普通按照交流伺服电动机的任务方式运转，但这不是绝对的。第三节第三节无刷直流电动机的转矩动摇无刷直流电动机的转矩动摇n也就是说，有一些按照无刷直流电动机的任务方式运转的电动机的气隙磁场并非120方波。n现实上，只需采用稀土永磁资料，才有能够使电动机的磁场呈现120方波外形，而普通的永磁无刷电动机的气隙磁场都非1200方波，而是接近于正弦波，当然，稀土永磁电动机的磁场也可以为正弦波。对于这类电动机来说，定子磁场和转子之间的夹角的变化，是导致转矩动摇的主要缘由。由于对于正弦波磁场的永磁电动机来说，其电磁转矩可由下式表示

29、：第三节第三节无刷直流电动机的转矩动摇无刷直流电动机的转矩动摇n 5-7n式中 K系数；nFs定子磁势；nFr转子磁势；n定转子磁势间的夹角。n 从式5-7可以清楚地看出，对于具有正弦波磁场，但按照n无刷直流电动机的任务方式运转的三相永磁电动机来说，其转矩波n动的幅度是比较大的，当转子位于每个扇区的中央位置时，电磁转n矩最大，假设把这点的值定为1，那么当转子位于扇区边缘时，转矩n最小，只需0.866。sinrsFKFT第三节第三节无刷直流电动机的转矩动摇无刷直流电动机的转矩动摇n对于方波电动机来说，引起动摇的缘由主要有以下几点：n1)齿槽效应和磁通畸变引起的转矩脉动 假定在方波电动机的任何电枢

30、电流都不存在，定子的绕阻都处于开路的情况下，当转子旋转时，由于定子齿槽的存在，定子铁芯磁阻的变化仍会产生磁阻转矩，就是齿槽转矩，齿槽转矩是交变的，与转子的位置有关，因此它是电动机本身空间和永磁励磁磁场的函数。第三节第三节无刷直流电动机的转矩动摇无刷直流电动机的转矩动摇n2)谐波引起的转矩脉动 在方波电动机中，恒定转矩主要是由方波磁链和方波电流相互作用后产生的，但在实践电动机中，输入定子绕组的电流不能够是矩形波，由于电动机的电感限制了电流的变化率。反电动势与理想波形的偏向越大，引起的转矩脉动越大，另外，非理想磁链波形对转矩脉动也有影响，当磁链波的程度波顶小于理想的120时，将会产生转矩脉动；假设

31、磁链波的程度波顶大于120，而电流仍为理想的120方波，那么不会产生脉动转矩。 第三节第三节无刷直流电动机的转矩动摇无刷直流电动机的转矩动摇n3)电枢反响的影响 电枢反响对转矩脉动的影响主要反响在以下两个方面：一是电枢反响使气隙磁场发生畸变，改动了转子永磁体在空载时的方波气隙磁感应强度分布波形，使气隙磁场的前极尖部分被加强，后极尖部分被减弱。该畸变的磁场与定子通电相绕组相互作用，使电磁转矩随定、转子相对位置的变化而脉动。二是在任一磁形状内，相对静止的电枢反响磁场与延续旋转的转子主极磁场相互作用而产生的电磁转矩因转子位置的不同而发生变化。第三节第三节无刷直流电动机的转矩动摇无刷直流电动机的转矩动

32、摇n4)相电流换向引起的转矩脉动 相电流换向是引起转矩脉动的主要缘由之一，对于换向转矩脉动，许多学者都做过详细的分析，根本的结论是：n换相期间电磁转矩随不同的换相形状而变化。与电动机本身的相反电势Ex有关，也与驱动电动机的逆变器中的直流母线电压U有关。当U=4Ex时，在换相时电磁转矩T不动摇；当U4Ex时，在换相时电磁转矩T变大；当U4Ex时，在换相时电磁转矩T变小 。很明显，相电流换向引起的转矩脉动主要影响电动机的高速和低速运转区，对于中速运转区，影响不大。 第三节第三节无刷直流电动机的转矩动摇无刷直流电动机的转矩动摇n5)由于机械加工引起的转矩动摇 除了以上几种主要缘由外，机械加工和资料的

33、不一致也是引起转矩脉动的重要缘由之一。n如工艺误差呵斥的单边磁拉力、摩擦转矩不均匀、转子位置传感器的定位不准确、绕组各相电阻电感参数不对称，各永磁体磁性能不一致等等。n因此，提高工艺加工程度，也是减小转矩动摇的重要方法。 第 5 章第四节第四节 无刷直流电动机的无刷直流电动机的驱动控制驱动控制第四节第四节无刷直流电动机的驱动控制无刷直流电动机的驱动控制n无刷直流电动机的运用范围日益广泛，它已从最初的航空、军事设备运用领域扩展到工业和民用领域。n目前，小功率无刷直流电动机主要用于计算机外围设备、办公室自动化设备和音响影视设备中，如软盘、硬盘、光盘的驱动，复印机、机、轻印刷机械、录像机、CD机、V

34、CD机、摄像机等的驱动。n在家用电器中的空调器、电冰箱、风扇、洗衣机等运用无刷电动机曾经非常普遍。第四节第四节无刷直流电动机的驱动控制无刷直流电动机的驱动控制n在航空、军事设备运用领域里的雷达驱动、机载武器瞄准驱动、自行火炮火力控制驱动等等，根本都采用无刷电动机控制。n在工业控制领域，机器人关节驱动和自动消费线、电子产品加工配备上的各种中小功率的驱动等等，也广泛采用无刷电动机控制。n近几年来，无刷电动机在电动自行车上的运用曾经到达了曾经到达了前所未有的广泛程度。目前这类无刷电动机主要是外转子电动机。n在新的重要建筑物内广泛采用了自动感应门，这类门的驱动电动机，根本上都是无刷直流电动机。第四节第

35、四节无刷直流电动机的驱动控制无刷直流电动机的驱动控制n一、开环型无刷直流电动机驱动器n开环型三相无刷直流电动机驱动器内部包含有电子换相器主电路-三相H形桥式逆变器、换相控制逻辑电路、PWM调速电路以及过流等维护电路。电路构造见图5-10.第四节第四节无刷直流电动机的驱动控制无刷直流电动机的驱动控制图5-10 开环型三相无刷直流电动机驱动器256134方向信号脉 宽调制器速度控制信号4365过电流维护驱动21驱动驱动驱动驱动驱动426531第四节第四节无刷直流电动机的驱动控制无刷直流电动机的驱动控制n(一) 换相控制逻辑电路 n 参见图5-4，三相永磁无刷直流电动机的转子位置传感器输出信号Ha、

36、Hb、Hc在每360电角度内给出了6个代码，换相控制逻辑电路接纳转子位置传感器的输出信号Ha、Hb、Hc，并对其进展译码处置，给出电子换相器主回路三相桥式逆变器中6个开关管的驱动控制信号。 第四节第四节无刷直流电动机的驱动控制无刷直流电动机的驱动控制n结合本章第一节中对换相原理的分析，可以得出表5-2。 第四节第四节无刷直流电动机的驱动控制无刷直流电动机的驱动控制n设1号6号开关管的控制信号分别为K1K6。根据表5-2，可以得出逻辑表达式如下：nK1=Ha/HbDIR+/HaHb/DIRnK2=/HbHcDIR+Hb/Hc/DIRnK3=/HaHcDIR+Ha/Hc/DIRnK4=/HaHbD

37、IR+Ha/Hb/DIR (5-8)nK5=Hb/HcDIR+/HbHc/DIRnK6=Ha/HcDIR+/HaHc/DIRn根据式5-8中的逻辑关系，可以得出换相控制逻辑电路。第四节第四节无刷直流电动机的驱动控制无刷直流电动机的驱动控制n(二) PWM调速电路 n应该指出，无刷直流电动机，加上电子换相器包括换相器的主回路-逆变器和换相控制逻辑电路，从原理上说，就相当于一台有刷的直流电动机，也就是说，电子换相器处理了无刷电动机换相的问题，但没有处理电动机调速的问题。n需求脉宽调制电路来实现电动机的调速。第四节第四节无刷直流电动机的驱动控制无刷直流电动机的驱动控制n图5-11是一种适用的脉宽调制

38、电路。脉宽调制器的主体就是一片比较器LM311，输入的控制信号Uc与三角波信号Ut相叠加，叠加后的信号是U+=Uc+(1-)Ut,其中=R2/(R1+R2)。 图5-11 脉冲宽度调制器+U+R2R1UtPWMUcVccVcc第四节第四节无刷直流电动机的驱动控制无刷直流电动机的驱动控制n由换相控制逻辑电路输出的换置信号的频率与电动机的转速有关，还与电动机的磁极数有关。n无论在何种情况下，换相控制信号的频率都远远低于PWM信号的频率。n因此，可以把PWM信号和换相控制信号，经过逻辑“与的方法合成在一同，经过调理PWM信号的占空比，来调理电动机的定子电枢电压，从而实现调速。第四节第四节无刷直流电动

39、机的驱动控制无刷直流电动机的驱动控制nPWM信号只需与高压侧的三个开关管的控制信号经过逻辑“与的方法合成在一同即可实现调压调速。图5-12中阐明了PWM信号与换相控制信号的合成。有关的波形见图5-12 。 图5-12 PWM信号与换相控制信号的合成123456第四节第四节无刷直流电动机的驱动控制无刷直流电动机的驱动控制n(三) 维护电路 n无刷直流电动机在开环运转的情况下，最重要的维护就是过流维护，如图5-10所示，普通在主回路中的直流母线上获得过流反响信号，在过流维护环节中与设定的维护值相比较，假设超越了维护值就引发了维护动作，普通是封锁逆变器中的开关管，从而实现维护。n在一些性能目的要求不

40、高运用场所，无刷直流电动机的开环控制系统被广泛地运用着，如电动自行车驱动、便携式电开工具的驱动、汽车电器等。在这些运用领域，普通都采用直流蓄电池供电，电压较低，普通低于DC36V，而驱动电流相对较大。第四节第四节无刷直流电动机的驱动控制无刷直流电动机的驱动控制n二、速度闭环的无刷直流电动机驱动器二、速度闭环的无刷直流电动机驱动器n假设对无刷直流电动机的速度调理范围和速度假设对无刷直流电动机的速度调理范围和速度控制精度有较高的要求，该当采用速度闭环的控制精度有较高的要求，该当采用速度闭环的控制构造，见图控制构造，见图5-13。66速度反馈环节换向逻辑逆变器合成PWM速 度控制器图5-13 速度闭

41、环的控制构造M位置传感器第四节第四节无刷直流电动机的驱动控制无刷直流电动机的驱动控制n在开环型的驱动器的根底上，加上速度闭环，就构成了无刷直流电动机的速度闭环控制系统。 n在无刷直流电动机闭环调速系统中，速度控制器的输出信号，用做脉宽调制器的控制信号。普通将霍尔位置传感器的信号加以处置后，构成速度反响信号。 第四节第四节无刷直流电动机的驱动控制无刷直流电动机的驱动控制n霍尔位置传感器发出的是三路相差120的低频脉冲信号Ha、Hb、Hc，脉冲的频率正比于电动机的转速。首先该当对Ha、Hb、Hc，其进展辨向和6倍频处置，经过这样的处置，取出其中的方向信息，并使其频率提高。辨向和6倍频处置的电路见图

42、5-14。n Ha、Hb、Hc三路信号，分别被送入D触发器 D1、D2、D3,经时钟脉冲CP的同步后，得到了Q0、Q2、Q4，而Q1、Q3、Q5相对于Q0、Q2、Q4又延迟了一个时钟周期。图5-15是相关的波形，其中，图5-15a表示电动机正转时Q5、Q4、Q3、Q2、Q1、Q0的关系；图5-15b表示电动机反转时Q5、Q4、Q3、Q2、Q1、Q0的关系。 第四节第四节无刷直流电动机的驱动控制无刷直流电动机的驱动控制n无论在正转脉冲序列还是在反转脉冲序列中，“公共代码和“特征代码都是交替出现的。n可以利用这一规律，来实现辨向和6倍频处置。在图5-14中的“译码环节中的逻辑表达式如下：nCPZ=

43、Q5Q4/Q3/Q2/Q1Q0+Q5/Q4/Q3/Q2Q1Q0+/Q5/Q4/Q3Q2Q1Q0+/Q5/Q4Q3Q2Q1/Q0+/Q5Q4Q3Q2/Q1/Q0+Q5Q4Q3/Q2/Q1/Q0nCPF=/Q5/Q4Q3Q2/Q1Q0+/Q5/Q4Q3/Q2Q1Q0+/Q5Q4/Q3/Q2Q1Q0+Q5Q4/Q3/Q2Q1/Q0+Q5Q4/Q3Q2/Q1/Q0+Q5/Q4Q3Q2/Q1/Q0第四节第四节无刷直流电动机的驱动控制无刷直流电动机的驱动控制n 图5-15 一个周期内波形分成了12个区间CPHaQ0HcHbQ1Q2Q3Q4Q5CPZ图5-14 辨向和6倍频处置电路CPF倍频辨向543211

44、2111098 7621c)b)12321111098765421第四节第四节无刷直流电动机的驱动控制无刷直流电动机的驱动控制n由于反响通道中存在大的滤波惯性环节，使得系统较易震荡，较难稳定。n在设计速度控制器的动态参数时，该当思索相位超前补偿，以抵消由于反响通路带来的相位滞后。所以，这里的速度控制器普通不是一个纯粹的比例积分控制器。 第四节第四节无刷直流电动机的驱动控制无刷直流电动机的驱动控制n三、速度电流双闭环的无刷直流电动机驱动器三、速度电流双闭环的无刷直流电动机驱动器n采用速度单闭环控制的无刷直流电动机控制系采用速度单闭环控制的无刷直流电动机控制系统可以提高电动机的速度控制精度，减小速

45、度统可以提高电动机的速度控制精度，减小速度误差。假设对系统的动态性能要求较高，例如误差。假设对系统的动态性能要求较高，例如要求电动机快速起制动、突加负载时速度改动要求电动机快速起制动、突加负载时速度改动小，恢复快等等，单闭环系统就无法满足要求小，恢复快等等，单闭环系统就无法满足要求了。这时，需求转速和电流的双闭环控制。了。这时，需求转速和电流的双闭环控制。 第四节第四节无刷直流电动机的驱动控制无刷直流电动机的驱动控制n与有刷直流电动机双闭环系统相比，无刷直流电动机双闭环系统中的电流环的构造具有其特殊性，这是由于这里有三相电枢绕组，在不同的时辰，电动机的电流经过其中不同的两相。n根据这一特点，至

46、少必需设置两路电流传感器普通采用霍尔电流传感器，根据基尔霍夫电流定那么，第三相的电流可由另外两相的电流值计算得到。电流传感器的安装位置，以及输出的波形可见图5-16。 第四节第四节无刷直流电动机的驱动控制无刷直流电动机的驱动控制图5-16 电流波形36451逆变器a)iAb)2iBiBiAImM第四节第四节无刷直流电动机的驱动控制无刷直流电动机的驱动控制n构成电流闭环的方式有两种：n一种方式只需求一个电流控制器，n另一种方式需求三个电流控制器。第四节第四节无刷直流电动机的驱动控制无刷直流电动机的驱动控制n(一) 采用单一电流控制器的方式 n采用单一电流控制器的方式，需求将检测到的电流值Ia和I

47、b “拼接起来，构成一个总的电流反响信号，这个总的电流反响信号的幅值就是Im。电流反响信号拼接的原理见图5-17。第四节第四节无刷直流电动机的驱动控制无刷直流电动机的驱动控制-ugiugiKAFKAZ i*a HC HA HBKAFKAZ图5-17 电流反响信号的合成逻辑电路第四节第四节无刷直流电动机的驱动控制无刷直流电动机的驱动控制n在绝对值电路中，还可以取出方向信号DIR ,当Ugi的极性为正时，DIR 为1，当Ugi为负的时候，DIR为0。DIR信号用于换相逻辑控制电路中。n图5-19是采用单一电流控制器的无刷直流电动机双闭环控制系统的框图。第四节第四节无刷直流电动机的驱动控制无刷直流电

48、动机的驱动控制DIR电流反响信号合成绝对值电路电流调理器PWM换相逻辑三相逆变器_+速度给定图5-19 采用一只电流调理器的双闭环系统Hcugi速度调理器测速反响+_HbHaibiaifMCMD第四节第四节无刷直流电动机的驱动控制无刷直流电动机的驱动控制n(二) 采用两只电流控制器的方式 n采用两只电流控制器构成双闭环系统，无需对电流反响进展“拼接，但需求对速度调理器的输出信号Ui进展“分解，使其可以成为A相和B相的电流的给定信号。实现对Ui “分解的电路见图5-20。第四节第四节无刷直流电动机的驱动控制无刷直流电动机的驱动控制-ugiugiKAFKAZ i*a HC HA HBKAFKAZ图

49、5-20 实现对Ugi “分解的电路逻辑电路第四节第四节无刷直流电动机的驱动控制无刷直流电动机的驱动控制n采用这种三角载波比较方式实现电流跟踪控制具有谐波分量固定、电流动摇小的特点，可以在一个三角波载波周期内实现电流的跟踪，即实现最短时间控制。n三角波载波信号的频率的选择，影响电流控制的快慢，平均的控制延时等于半个三角波载波周期，在这一延时小于电动机机电时间常数的1/10时，可以忽略不记。 第 5 章第五节第五节 无位置传感器无位置传感器的无刷直流电动机的驱动控制的无刷直流电动机的驱动控制第五节第五节无位置传感器的无刷直流电无位置传感器的无刷直流电动机的驱动控制动机的驱动控制n上一节里所讨论的

50、驱动控制方法都是基于电动机的转子位置传感器发出的信号的根底之上的。但是，电动机中的位置传感器，添加了电动机的本钱和制造的难度，在某种意义上来说也降低了运转的可靠性。n近来，无位置传感器的无刷直流电动机曾经引起了业内人们的高度注重，虽然无位置传感器的无刷直流电动机控制原理和控制电路稍复杂些，但总体构造大为简化了，制造的难度也降低了。 第五节第五节无位置传感器的无刷直流电无位置传感器的无刷直流电动机的驱动控制动机的驱动控制n一、无刷直流电动机转子位置估计方法一、无刷直流电动机转子位置估计方法n 无位置传感器的无刷直流电动机的转子位置无位置传感器的无刷直流电动机的转子位置需求经过估计来获得，获取转子

51、位置的目的是需求经过估计来获得，获取转子位置的目的是为了换相，所以只需求估计出换相时辰的转子为了换相，所以只需求估计出换相时辰的转子位置。对于三相绕组的电动机，在一个电周期位置。对于三相绕组的电动机，在一个电周期内只需估计六个时辰，相邻两时辰转子位置相内只需估计六个时辰，相邻两时辰转子位置相差差600电角度。常用的方法有反电势法、定子电角度。常用的方法有反电势法、定子三次谐波法、电流通路监视法等。三次谐波法、电流通路监视法等。 第五节第五节无位置传感器的无刷直流电无位置传感器的无刷直流电动机的驱动控制动机的驱动控制n(一) 反电势法 n对于稳态运转的电动机来说，反电势法是最简单最适用的方法。n其原理为：无刷直流电动机在任何时辰其三相绕组只需两相导通，每相绕组正反向分别导通120电角度，经过丈量三相绕组端子及中性点相对于直流母线负端的电位，可估算换向时辰。当某相绕组的端点电位与中性点电位相等时，阐明此时辰这相绕组的反电势为零，再过30电角度就必需对开关管进展换相，据此可设计过零检测及移相(或定时)电路，得到全桥驱动内6个开关管的开关顺序，这种方法叫做直接反电势法。 第五节第五节无位置传感器的无刷直流电无位置传感器的无刷直流电动机的驱动控制动机的驱动控制n还有一种间接反电势法，它直接丈量定子每相的电压，然后由电压方程解出反电势的值，由于表达式中含有电流微分项，易引入