无刷直流电动机(数字传动)

第5章无刷直流电动机的原理及单片机控制1直流电机的优点：

线性机械特性、宽的调速范围、大的启动转矩、简单的控制电路

直流电机的缺点：结构中带有电刷和换向器，影响了调速的精度

直流无刷电动机的产生：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，维修方便，运行可靠23第一节无刷直流电动机系统一、基本组成

无刷直流电机构成框图电力电子功率器件定子绕组4无刷直流电动机结构

(a)结构示意图

(b)定转子实际结构

1.电动机本体（与直流电机相反）

无刷直流电动机的基本结构永磁转子结构型式凸极式内嵌式7无刷直流电动机转子位置信号的检测一、转子位置传感器磁敏式位置传感器

——霍尔元件电磁式位置信感器

——高频线圈光电式位置信感器

——光耦合器件8电磁式位置传感器（利用电磁效应）定、转子磁芯均由高频导磁材料(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。

光电式位置传感器（利用光电效应）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每只光电耦合开关是由相互对着的红外发光二极管(或激光器)和光电管(光电二极管，三极管或光电池)所组成。红外发光二极管(或激光器)通上电后，发出红外光(或激光)；当遮光盘随着转轴转动时，光线依次通过光槽(孔)，使对着的光电管导通，相应地产生反应转子相对定子位置的电信号，经放大后去控制功率晶体管，使相应的定子绕组切换电流。光电式位置传感器产生的电信号一般都较弱，需要经过放大才能去控制功率晶体管。但它输出的是直流电信号，不必再进行整流，这是它的一个优点光电式位置传感器11数字信号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。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。1213无刷直流电动机原理图（三相光电式位置传感器）14

无刷直流电动机的驱动

无刷直流电动机的主电路主要有星形联结三相半桥式星形联结三相桥式角形联结三相桥式三种形式，星形联结三相桥式应用最多153.定子绕组连接方式b)四相半桥主电路

a)三相半桥主电路1)非桥式（半桥式）——半控型162)桥式——全控型c)星形联结三相桥式主电路17d)三角形联结三相桥式主电路

2)桥式——全控型18星形连接三相桥式主电路

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：二二导通方式和三三导通方式。二二导通方式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，输出转矩也增加了。三三导通方式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。PWM控制方式调速方式：PWM_ONON_PWMPWM_ONPWM_ONPWM_ON22无刷直流电动机的PWM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。无刷直流电机正反转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。无刷直流电机控制与他相同难点：开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ABC反转通电顺序CBA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，在当前状态中，要改变绕组通电状态在（a）中，要使C相导通。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ABC000输出Y0001Y1010Y2100Y42930控制系统的实现控制器是无刷直流电动机的三大组成部分之一，它主要包括开关主电路(即逆变器)、驱动电路和控制电路。311、开关主电路对于单相交流电源供电、电机采用三相电枢绕组时，典型的开关主电路通常由整流电路、滤波电路、缓冲电路和逆变电路构成32整流电路由变压器TR1和整流桥BRl组成,将交流电源转换为直流电源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：功率开关管T1~T6、续流二极管D1~D6功率开关管Tl~T6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IPM332、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。34常见集成驱动电路353、控制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,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。36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(MCUDSP)37第十节无刷直流电动机控制专用集成电路及其应用一无刷直流电动机专用集成电路

部分无刷直流电动机专用集成电路38

部分无刷直流电动机专用集成电路39二无刷直流电动机控制器的(MC3303)应用MC33033引脚功能介绍

40具有PWM开环速度控制、使能控制(起动或停止)、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，调试及检测非常方便

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

20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

MC3303的主要特点如下

41MC3303的典型应用电路

42三无位置传感器无刷直流电动机控制器ML4428的应用ML4428管脚功能介绍

43ML4428管脚功能介绍(续)

44片内含有PWM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，速度信号的检测通过监测VCO(压控振荡器)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

可直接驱动12V电机的场效应管；也可用高端(对应逆变器的上桥臂)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

由压控振荡器(VCO)、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流电动机的闭环换相

ML4428的主要特点如下

45ML4428的功能框图

46反电动势检测电路

47ML4428驱动24~60V电机

霍尔