第10章 无刷直流电动机1

2023/2/11第10章无刷直流电动机BrushlessDCMotor

10.1概述10.2无刷直流电动机系统组成10.3三相无刷直流电动机运行分析10.4无刷直流电动机的模型10.5无刷直流电动机的转矩脉动10.6无位置传感器的转子位置检测10.7无刷直流电动机的电枢反应10.8无刷直流电动机改变转向的方法2023/2/1210.1概述

传统有刷直流电机的优点：机械特性线性，调节特性线性，调速和起动性能好，堵转转矩大，广泛用于驱动和伺服系统缺点：电刷和换向器产生火花，引起干扰；定期维护无刷直流电机：用电子开关电路和位置传感器代替传统电机中的电刷和换向器既有普通有刷电机的调速特性，又克服了电刷和换向器带来的缺点通过电子线路进行控制和运行----电子运行电机电子换向器代替机械换向器----电子换向式电机

ECM（ElectronicallyCommutatedMotor）2023/2/132023/2/142023/2/152023/2/162023/2/172023/2/182023/2/192023/2/1102023/2/1112023/2/11210.2无刷直流电动机的基本组成

由电动机本体、转子位置传感器、功率电子开关线路和控制器等4部分组成

直流电源通过电子开关线路向电动机定子绕组供电位置传感器检测电机转子位置并送入控制器控制器经过逻辑处理产生相应的换相信号以一定的规律控制电子开关线路中的功率开关器件将电源顺序分配给电动机定子的各相绕组2023/2/1132023/2/1141—电动机定子；2—电动机转子；3—传感器定子；4—传感器转子；5—电子开关线路+控制器2023/2/115无刷直流电动机电动机本体控制器及电子开关电路转子位置传感器电动机转子电动机定子位置信号处理功率逻辑开关2023/2/11610.2.1电动机本体

电动机本体－－定子和转子组成满足电磁方面的要求

①保证在工作气隙中产生足够的磁通②电枢绕组允许流过一定的电流以便产生一定的电磁转矩应满足机械方面的要求内转子和外转子形式2023/2/1172023/2/118

定子－－无刷直流电机的电枢

定子铁心－－导磁电枢绕组－－导电定子铁心中放置对称的多相电枢绕组常用两种定子结构

①

定子磁极凸极（大齿）结构大齿表面开有多个小齿大齿上绕有非跨接式的集中绕组－－分数槽绕组②与普通交流电机铁心类似槽中嵌放跨接式的集中或分布绕组线圈整距或短距多相电枢绕组接成星形或封闭形（角形）绕组接电子开关线路中的功率开关管2023/2/1192023/2/1202023/2/1212023/2/1222023/2/1232023/2/124转子为永磁结构

由永磁体、导磁体和支撑部件组成永磁体形成一定极对数的转子磁极（2p＝2，4，6，等）在电动机气隙中建立足够的磁场永磁体有径向励磁或切向励磁形式三种结构

表面粘贴式－－永磁体径向磁化的瓦片形内嵌式－－切向磁化的永磁体插入转子铁心整体粘结式－－外套整体粘结径向磁化永磁体环2023/2/1252023/2/1262023/2/1272023/2/1282023/2/1292023/2/1302023/2/1312023/2/132无刷直流电机磁场分布－－矩形波感应反电动势－－方波或梯形波2023/2/133

转子磁场相对于定子绕组位置的检测是无刷直流电动机运行的关键位置检测的直接法－－采用位置传感器将转子磁极的位置信号转换成电信号电磁式、光电式、霍尔元件式正余弦旋转变压器编码器位置检测的间接法－－无位置传感器位置检测利用检测电量信号来间接判断转子磁极位置电动机定子绕组的反电动势检测法端电压检测法10.2.2位置传感器2023/2/134

1－信号线圈；2－导磁片；3－磁心；4—铝合金；5—副边线圈；6—环氧树脂；7—激磁线圈（1）电磁式位置传感器－－利用电磁感应原理工作定子：铁心和线圈定子铁心的中间为圆柱体，放励磁绕组Wj，施加高频（几kHz~几十kHz）电源励磁定子铁心沿定子圆周有轴向凸出的极，极上套信号线圈（Wa、Wb和Wc）以感应信号电压转子：导磁扇形片放置在不导磁的铝合金圆形基盘上制成，固定在电动机转轴上，扇形片数等于电机极对数2023/2/135励磁电源的频率高达几千赫兹以上，故定子铁心及转子导磁扇形片均由高频导磁材料制成实际上是有着共同励磁线圈的几个开口变压器扇形导磁片随着电动机转子同步旋转，其与传感器定子圆周凸极的相对位置发生变化，使开口变压器磁路的磁阻变化，信号线圈匝链的磁通大小变化，感应出不同幅值的电动势，依此判断转子位置。2023/2/136（2）光电式传感器－－利用光电效应而工作结构：

由固定在定子上的数个光电耦合开关和固定在转子轴上的遮光盘所组成遮光盘上开有透光槽（孔），其数目等于电动机转子磁极的极对数，且有一定的跨度光电耦合开关由轴向相对的红外发光二极管和光电管（光电二极管或三极管）所组成，沿圆周均匀分布2023/2/137工作原理：红外发光二极管通电发出红外光当遮光盘随着转轴转动时，光线依次通过光槽，使对着的光电管导通产生反应转子相对定子位置的电信号特点：

光电式位置传感器性能较稳定输出直流电信号，无需再进行整流产生的电信号一般比较弱，需要放大2023/2/138（3）霍尔元件式－－利用“霍尔效应”产生输出电压霍尔元件是其电参数按一定规律随周围磁场变化的半导体磁敏元件用霍尔半导体材料制成长为l、宽为m、厚为d的六面体4端子元件根据霍尔效应原理，如果在垂直于lm面沿厚度方向穿过磁场B，在垂直于md面沿l方向施加控制电流I，则在宽度m方向上会产生霍尔电动势EH，可以表示为：2023/2/1392023/2/140霍尔元件式位置传感器由定子和转子两部分组成电动机转子磁极的永磁体兼作位置传感器转子产生励磁磁场

霍尔元件间隔一定角度安置于电机定子作传感器定子并通以控制电流2023/2/1412023/2/142功率器件采用具有自关断能力的全控器件GTR、GTO、功率MOSFET和IGBT等功率MOSFET和IGBT目前已占主导地位逆变主电路一般有桥式或非桥式（半桥式）两种与电机电枢绕组的连接有不同的组合10.2.3功率电子驱动电路2023/2/1432023/2/1442023/2/145电枢绕组的相数和功率主电路连接方式不同，电机转矩脉动及绕组利用率不同。

相数越多，转矩脉动越小相同相数下，桥式电路比非桥式电路转矩脉动小，绕组利用率高随着相数的增多，驱动电路中使用的开关器件也越多，成本也就越高

三相星形桥式驱动电路采用两两导通方式工作，其绕组利用率较高、力矩波动小，因而得到广泛应用。注意：

无刷直流电动机控制系统中驱动电路的频率由转子的转速决定－－“自控式逆变器”电机中相绕组的频率和电机转速始终保持同步，不会产生振荡和失步。2023/2/14610.2.4控制器

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功能：

(1)对转子位置信号、正反转和停车信号进行逻辑综合，为功率驱动电路各开关管提供选通信号（换相信号），实现电机的正、反转及停车控制；

(2)在固定的供电电压下，根据速度给定和负载大小，产生PWM调制信号，实现电机开环或闭环控制；

(3)实现短路、过流、过电压和欠电压等故障检测和保护2023/2/147控制器的主要形式有：分立元件加少量集成电路构成的模拟控制系统基于专用集成电路的控制系统数模混合控制系统全数字控制系统单片机和数字信号处理器（DSP）以及新型电机控制专用芯片，以微控制单元（MCU）为核心的数字式控制器得到了普及。2023/2/148MC330332023/2/1492023/2/1502023/2/15110.3无刷直流电动机运行分析10.3.1工作原理

三相无刷直流电动机电机本体是一两极的永磁电动机定子三相对称绕组按Y连接，无中线功率驱动采用三相全桥式电路两两导通工作方式2023/2/1522023/2/1532023/2/154

(a)A+B-(b)A+C-(c)B+C-(d)B+A-

(e)C+A-(f)C+B-2023/2/155A、B、C三相绕组每隔60°换相一次每一时刻总有两相绕组同时通电功率开关管的导通规律为→VT1、VT2→VT3、VT2→VT3、VT4→VT5、VT6→VT5、VT4

共有六个导通状态每一状态都有两个开关管同时导通每个开关管导通120°此通电方式称为两两导通三相六状态→VT1、VT62023/2/1562023/2/1572023/2/158gatedgated+_RectangularShapingofCurrentsbyCurrentRegulationChargingActionUpperCurrentLimit2023/2/159UpperCurrentLimitLowerCurrentLimitGatingremovedRectangularShapingofCurrentsbyCurrentRegulationDischargingActionbyReverseVoltageChopping+_2023/2/160FreewheelingintervalUpperCurrentLimitTimeDelaygated+_RectangularShapingofCurrentsbyCurrentRegulationDischargingActionbyFreewheelingChopping2023/2/161gatedgated+_currentdecreasingcurrentincreasingPhaseCommutationAstherotortravelsalong,theHallprobepositionsensorindicateswhichtransistorsneedtobegated.Transitionsfromoneuppertransistortoanotheruppertransistoralternatewithtransitionsamongthelowertransistors.Illustratedhereisanuppertransistortransition,fromB-uppertoC-upper.AtthemomentwhentheC-upperintervalisindicatedbytheHallprobepositionsensor,gatingisremovedfromtheB-uppertransistorandisappliedtotheC-uppertransistor.ThecurrentinmotorphaseBdivertsintothelowerflybackdiode.ThecurrentinphaseCincreasesasthecurrentinphaseBdecreasesandsoonextinguishes.Commutationonthelowertransistorsissimilar.Dependingonconditions,currentregulationmaybeneededbeforecommutationiscompleted.2023/2/162转子旋转时，电枢导体切割转子永磁体产生的磁场或者说电枢绕组匝链的转子永磁体磁通发生变化在绕组中产生的感应电动势------电枢反电动势反电动势的大小和波形与气隙永磁场的幅值大小、分布形状和绕组结构形式有关无刷直流电机中，由转子永磁极产生的气隙磁通密度沿圆周方向的理想分布为矩形为减少漏磁，实际电机的永磁极极弧长度均小于极距永磁极的边缘存在漏磁假如不考虑定子齿槽影响，考虑到以极中心线为对称，在极弧范围内基本维持不变，在磁极边缘处逐渐衰减10.3.2电枢绕组感应电动势及电流2023/2/163

A相正电动势的方向绕组中电动势和电流正方向无刷直流电动机反电动势（感应电动势）为梯形波，为产生恒定转矩，电流调制为方波！！2023/2/1642023/2/165反电动势的幅值Ea

根据切割定理求得：Da为电枢铁心内径l为铁心长度磁通密度幅值Bgm保持不变反电动势幅值Ea正比于转速n：2023/2/166取A相正向、B相反向通电区间绕组线电压等于直流电源电压

堵转电流为：电流：2023/2/167电磁转矩:10.3.3电磁转矩任何时刻，定子三相绕组中只有两相导通电磁功率:取A相正向通电，B相反向通电的时间区间导体均处于磁通密度幅值为Bgm的磁场下均流过大小为Ia的电流电磁转矩:2023/2/168励磁磁场主要由永磁体励磁，认为恒定当电流调制为方波时励磁恒定时电磁转矩正比于电枢电流通过控制定子电流的大小就可以控制转矩无刷直流电动机的转矩具有良好的可控性理想化的输出转矩平滑稳定电磁转矩为电磁转矩是反电动势、电流和