Chapter 7 永磁无刷DC电动机调速系统

Chapter7永磁无刷DC电动机调速系统（PermanentMagnetBrushlessDCMotorDriveSystem)直流电动机（DCMotor）特点起动和调速性能好，堵转转矩大，被广泛应用于各种驱动和伺服系统中。DC电动机（续）但是，直流电动机具有电刷和换向器组成的机械换向装置，其间的滑动接触，严重地影响电机的精度和可靠性，缩短电机寿命，需要经常性的维护，所产生的火花会引起无线电干扰；电刷换向器装置又使直流电机结构变得复杂，工作噪音大。Chapter7PMBLDCM永磁无刷DC电动机调速系统（PermanentMagnetBrushlessDCMotorDrives，简称为PMBLDCM）Chapter7PMBLDCM是集永磁电动机、微处理器、功率变换器、检测元件、控制软件和硬件于一体的新型机电一体化产品，它采用功率电子开关（如GTR、MOSFET、IGBT）和位置传感器代替电刷和换向器，既保留了直流电动机良好的运行性能，又具有交流电动机结构简单、维护方便和运行可靠等特点，在航空航天、数控装置、机器人、计算机外设、汽车电器、电动车辆和家用电器的驱动中获得了越来越广泛的应用。Chapter7PMBLDCMWhyweselectthePMBLDCM?ReliablestructureSimplecontrolRobustnessLownoise(EMI+acoustic)vs.BrushedtypemachineHighefficiencyChapter7PMBLDCM第二节

PMBLDCM的基本结构和工作原理永磁无刷直流电动机主要由永磁电机本体、转子位置传感器和功率电子开关（逆变器）三部分组成图7-1永磁无刷直流电动机的原理框图Chapter7PMBLDCM一、基本结构图7-2永磁无刷直流电动机的结构简图Chapter7PMBLDCM电动机本体电动机本体是一台反装式的普通永磁直流电动机，它的电枢放在定子上，永磁磁极放在转子上，结构与永磁式同步电动机相似。定子铁心中安放对称的多相绕组，通常是三相绕组，绕组可以是分布式或集中式，接成星形或封闭形，各相绕组分别与电子开关中的相应功率管连接。永磁转子多用铁氧体（Ferrite）或钕铁硼（NdFeB）等永磁材料制成，不带鼠笼绕组等任何起动绕组，主要有表面贴装式和内嵌式结构，如图7-3所示。Chapter7PMBLDCM图7-3永磁转子结构型式(a)表面贴装式；(b)内嵌式.1－磁钢；2－铁心（a)（b）Chapter7PMBLDCM外转子洗衣机PMBLDCMChapter7PMBLDCMChapter7PMBLDCM2.逆变器

逆变器主电路有桥式和非桥式两种，如图7-4所示。其中图(a)、(b)是非桥式开关电路，其它是桥式开关电路。在电枢绕组与逆变器的多种联接方式中，以三相星形六状态(图7-4(c))和三相星形三状态(图7-4(a))使用最广泛。Chapter7PMBLDCM（a）(a)星形三相三状态；(b)星形四相四状态；(c)星形三相六状态；(d)封闭三相六状态（b）（c）（d）图7-4逆变器主电路Chapter7PMBLDCM(e)正交两相四状态(f)封闭四相四状态Chapter7PMBLDCM3.转子位置传感器常见的有磁敏式、电磁式和光电式磁敏式位置传感器利用电流的磁效应进行工作，所组成的位置检测器由与转子同极数的永磁检测转子和多只空间均布的磁敏元件构成。目前，常用的磁敏元件为霍尔元件或霍尔集成电路，它们在磁场作用下产生霍尔电势，经整形、放大后得到所需的电压信号，即位置信号。图7-5为霍尔集成电路。Chapter7PMBLDCM（a）外形（a）外形（a）外形（b）电路原理（c）开关型输出特性图7－5Hall集成电路Chapter7PMBLDCM霍尔集成电路分为：（1）线性；（2）开关型无刷直流电动机中一般使用开关型霍尔位置传感器结构简单、体积小，但对环境和工作温度有一定限制。霍尔位置传感器是永磁无刷直流电机中使用较多的一种。(2)电磁式位置传感器电磁式位置传感器利用电磁效应来测量转子位置，其结构如图7-6所示。传感器由定子和转子两部分组成。定子由磁芯、高频励磁绕组和输出绕组组成。定、转子磁芯均由高频导磁材料（如软铁氧体）制成。电机运行时，输入绕组中通入高频励磁电流，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、转子磁芯偶合，输出绕组中感应出高频信号，经滤波整形处理后，用于控制逆变器开关管。Chapter7PMBLDCM图7-6电磁式位置传感器1－转子磁芯；2－定子磁芯；3－输出绕组；4－高频输入绕组

(3)光电式位置传感器光电式位置传感器由固定在定子上的几个光电偶合开关和固定在转子轴上的遮光盘所组成，如图7-7所示。若干个光电偶合开关沿圆周均布，每个光电偶合开关由相互对着的红外发光二极管D1和光敏三极管V1组成。遮光盘P处于发光二极管和光敏三极管中间，盘上开有一定角度的窗口。红外发光二极管通电后发出红外光，遮光盘随电机转子一起旋转，红外光间断地照在光敏三极管上，使其不断地导通和截止，它输出的信号反应了电机转子的位置，经V2放大后驱动逆变器开关管。

Chapter7PMBLDCM图7－7光电式位置传感器Chapter7PMBLDCM二相导通星形三相六状态三相永磁无刷直流电动机，配上图7-4(c)所示的逆变器便可实现二相导通星形三相六状态，其原理接线如图7-2所示。当转子永磁体转到图7-10（a）所示位置时，转子位置传感器发出磁极位置信号，经过控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使功率开关管V1、V6导通，A进B出，绕组A、B通电，电枢电流在空间形成磁势FA，如图7-10（a）所示。此时定、转子磁场相互作用拖动转子顺时针方向转动。电流流通路径为：电源正极→V1管→A相绕组→B相绕组→V6管→电源负极。（a）（b）

图7-10二相导通三相星形六状态无刷直流电机工作原理示意图当转子转过60电角度，到达图7-10（b）中位置时，位置传感器输出的信号，经逻辑变换后使V6截止，V2导通，此时V1仍导通。绕组A、C通电，A进C出，电枢电流在空间合成磁场如图7-10（b）所示，定、转子磁场相互作用使转子继续顺时针方向转动。电流流通路径为：电源正极→V1管→A相绕组→C相绕组→V2管→电源负极。依次类推，每当转子沿顺时针方向转过60电角度时，功率管就进行一次换流。随着电机转子的连续转动，功率开关管的导通顺序依次为V2V3→V3V4→V4V5→V5V6→V6V1……，使转子磁场始终受到定子合成磁场的作用而沿顺时针方向连续转动。Chapter7PMBLDCM从图7-10（a）到7-10（b）的60电角度范围内，转子磁场顺时针连续转动，而定子磁场在空间保持图7-10（a）中的位置不动，只有当转子磁场转过60电角度到达图中7-10（b）的位置时，定子合成磁场才从图7-10（a）中位置顺时针跃变至7-10（b）中的位置。定子合成磁势在空间是一种跳跃式旋转磁场，其步进角为60电角度，即1/6周期。

转子每转过60电角度（1/6周期），逆变器开关管换流一次，定子磁场状态就改变一次。可见，两相导通三相六状态控制方式时电机有6个磁状态，每一个状态各有不同相的上、下桥臂开关管导通，每个功率开关元件导通120电角度（1/3周期），逆变器为120导通型；另一方面，每一个状态导通的两个开关管与不同相绕组相联，每一个状态导通两相，每相绕组中流过电流的时间相当于转子转过120电角度的时间。两相导通星形三相六状态PMBLDCM的三相绕组与开关管导通顺序的关系示于表7-1。表7-1两相导通星形三相六状态三相绕组和开关管导通顺序表第三节永磁无刷直流电动机的运行特性一、基本方程永磁无刷直流电动机的基本物理量有反电动势、电枢电流、电磁转矩和转速等。图7-11方波气隙磁场分布图7-11方波气隙磁场分布

Chapter7PMBLDCM图7-12梯形波反电动势与方波电流Chapter7PMBLDCM为了便于分析，特作如下假设：（1）忽略电枢绕组的电感，电枢电流可以突变；（2）不考虑开关管导通和关断动作的过渡过程，认为每一相电流是瞬时产生和关断的。1.电枢绕组感应电动势设电枢每相绕组串联匝数为W，每相感应电动势为

（7-1）（7-2)

Chapter7PMBLDCM（7-3）方波气隙磁感应强度对应的每极磁通为（7-4）每相绕组感应电动势为（7-5）则线电动势为（7-6）式中，为电动势常数Chapter7PMBLDCM2.电枢电流（7-8）

3.电磁转矩电机的电磁转矩

（7-9）为电机的机械角速度。则有式中，Chapter7PMBLDCM

（7-10）4.转速将式（7-6）代入式（7-7）得

（7-11）

（7-12）空载转速为其中，Chapter7PMBLDCM5.电势系数与转矩系数电动势系数为

（7-13）

（7-14）转矩系数为二、运行特性1.机械特性由式（7-11）可得永磁无刷直流电动机的机械特性为（7-15）

图7-13机械特性曲线

图7-14调节特性曲线

2.调节特性根据式（7-8）、式（7-10）和式（7-11）可分别求得调节特性的始动电压和斜率K，即

（7-16）

（7-17）第四节永磁无刷直流电动机的控制方法一、有位置传感器控制（1）转速控制：通过PWM方法改变电压大小调节转速；（2）正、反转控制：通过改变绕组的通电顺序（3）电流控制：电流的闭环控制图7-16单片机控制永磁无刷直流电动机原理图PMBLDC仿真电流波形PMBLDCM正常换相时电流实验波形

换相超前时ABC三相电流试验波形

二、无位置传感器控制无位置传感器控制方式一般指的是电机无机械式位置传感器，即不在无刷直流电动机的定子上直接安装位置传感器来检测转子位置。但是在电机的控制运行过程中，转子位置换相信号是必需的。所以，永磁无刷直流电机无位置传感器控制的关键是设计一转子位置信号检测电路，从硬件和软件两个方面来间接获取可靠的转子位置信号。Posit