直流无刷电机及其驱动技术分解

PMSM的问题■控制比直流伺服电机要复杂的多；■要想实现力矩控制，必须有角位置传感器，以测量d-q坐标系的旋转角；■反电势必须是正弦波的，这对电机制造及工艺提出了较高的要求。反电势必须是正弦波的才能产生正弦电流3.3无刷直流电动机(BrushlessDirectCurrentMotor,BLDC)1、无刷直流电动机结构2、无刷直流电动机工作原理3、无刷直流电动机电机特性4、PWM控制技术■由定子、转子、位置传感器及换相电路组成■定子采用叠片结构并在槽内铺设绕组的方式■定子绕组多采用三相并以星形方式连接No将永磁体贴装在非导磁材料表面或镶嵌在其内构成大部分BLDC采用表面安装方式。多为2到3对极的。磁性材料多采用具有高磁通密度的稀土材料，如鋤铁硼等结构上BLDC与PAISA南些相似，但有两点不同：BLDC的转子磁极经专门的磁路设计，可获得梯形波的气隙磁场。而PMSM的气隙磁场是正弦波的。BLDC的定子绕组结构使之产生的反电势是梯形波的。而PAISA［绕组结构产生正弦型的反电势。PMSM定f绕组产生」K弦叩的反电势BLDC的记丫•绕组产生的反电势足悌形波附：电角度和机械角度■机械角度是指电机转子的旋转角度，由©H1表示;■电角度是指磁场的旋转角度，由Oe表示。■当转子为一对极时，®m=©c：■当转了•为n对极时，0e=n0m。2.工作原理1）旋转磁场的产生假定电机定子为3相6极，星型连接。转子为一对极。■电流方向不K时，产生的磁场方向不同。■若绕组的绕线方向一致，当电流从A相绕组流进，从B相绕组流出时，电流在两个绕组中产生的磁动势方向是不同的。6步通电顺序■三相绕组通电遵循如下规则：每步三个绕组中一个绕组流入电流，一个绕组流出电流，一个绕组不导通；■通电顺序如下：1A+B-2.C+B-3.C+A-4.B+A-5,B+C-6A+C-6步通电顺序■LA+B-2*C+B-3*C+A-4.B+A-5‘B+C-6.A+C-■每步磁场旋转60度，每6步旋转磁场旋转一周；■每步仅一个绕组被换相。6步通电顺序■随着磁场的旋转，吸引转子磁极随之旋转。■磁场顺时针旋转，电机顺时针旋转：■磁场逆时针旋转，电机顺时针旋转：■LA+B-2.C+B-yC+A-4.B+A-5.B+C-6.A+C*2）如何实现换相?■1・A+B-2.C+B-3,C+A-4.B+A-5,B+C-6，A+C-■必须换相才能实现磁场的旋转，如果根据转子磁极的位置换相，并在换相时满足定子磁势和转子磁势相互垂直的条件，就能取得最大转矩。■要想根据转子磁极的位置换相，换相时就必须知道转子的位置，但并不需要连续的位置信息，只耍知道换相点的位置即可。■在BLDC中，一般采用3个开关型霍尔传感器测量转子的位置。由其输出的3位二进制编码去控制逆变器中6个功率管的导通实现换相。开关型霍尔传感器■霍尔元件+信号处理电路=霍尔传感器■利用霍尔效应，当施加的磁场达到“动作点”吋，◦C门输出低电压，称这种状态为“开”；__＞当施加磁场达到“释放点”使OC门输出高电压，称其七“关”■基于这个原理，可制成接近开关。人CHI^bV&C1：lSfFts/dhr两个周期的电压波形如果将一只霍尔传感器安装在靠近转子的位置，当N极逐渐靠近霍尔传感器即磁感应强度达到一定值时，其输出是导通状态；当N极逐渐离开霍尔传感器、磁感应强度逐渐减小时，其输出仍然保持导通状态；只有磁场转变为S极并达到一定值吋，其输出分翻蛣为截止状态。在S-N交替变化磁场如果转子是一对极，电压波形卜"，传感器输出波形占商、低电平各占50%。则电机旋转一周霍尔传感器输出一个周期的如果转子是两对极，则输U4W1]oat010：01101110卜1100I101直流无刷电机屮一般安装3个霍尔传感器，间隔120度或60度按圆周分布。如果间隔120度，则3个霍尔传感器的输出波形相差120度电角度；输出信号中高、低电平各占180度电角度。如果规定输出信号高电平为“1"，低电平为“0”，则输山的三个信号可用3位二进制编码表示。I■II■」_i^Lj101I001I011I010I1110I100I101I001LOO000001011111110100000001011111110H„|i^™i|--门--■如果间隔60度，则输出波形相差60度电角度。■间隔120度与60度的二进制编码是不同的。例：假定定子绕组为3相，转子为2对极，3个霍尔传感器间隔60度按圆周分布，由6只晶体管组成的桥式电路给电机供电，分析其换相过程°1.A+C-2.A+B-3.C+B-4.C+A-5.B+A-6,B+C-1MechanicalCycle(with2polepairs)1Eieclhcaicycle1ElecliricaicycleSequenceNumberICInterrupiHallSensorSnpulPhaseCurrentABCSwitchLows>deSwitch/IIWW1u从霍尔传感器输出的二进制编码校制6个功率管的导通，可由逻辑电路实现，也可由软件编程实现。IIII1IIIIIIIiPWMIIPWM11PWMf>|iPWM31PWM3PWM1P：

1Q11Q11G51051031031m1"IIIIIIIII|PWM41PWM?|PWM?|PWMO|PWMO|IPWM4PWM4vnn1--l.A+13*2.A+C-3.B+C-4.13+A-5.C+A-6.C+B-■每相绕组中电流是正负交替的■由逆变器提供与电动势严格同相的方波电流屯流流进电流ira■直流有刷电机绕组中的电流实际上也是正负交替的，只是从电刷外部看电流是单方向的。■直流有刷电机通过换向机构换向，直流无刷电机通过霍尔开关及逆变器换相。3）如何实现力矩的控制?■按照电机统一规律，必须保证es-er为％度，才能取得最大转矩。■因旋转磁场是60度增量，看来无法实现这个关系。■但通过适当的安排可实现平均90度的关系。■如果每一步都使离转子磁极120度的定子磁势所对应的绕组导通，并且当转子转过60度后换相，如此重复每一步，则可使定子磁势与转子磁势相差60-120度，平均90度。ABC[10DJActualfluxvectorNewfluxvector■每一个定子绕组回路与DC电机电枢回路是类似的。■但其屯压和电流都是在每半个电周期中仅导通120度。■电机制作时保证其绕组内反电势为梯形波，但平顶部分与电压和电流同时出现，其极性也与电压和电流一致。■从功率平衡的角度考虑Tto=EaIa+EbIb+EcIc■又因为且在所有的时间都有两相绕组流过相同电流，T^2KeIa可见，力矩与定子绕组电流成正比，改变电流即改变;6矩。LR_I-1_£—IduIld力矩的波动■换相转矩脉动：每次换向时，由于绕组电感的作用电流不能突变，电流的途渡过程产生力矩波动。■笮蒺芽在波动，限制r它在高精度的速度、位置控制累统中的应甫。Rf\4）如何实现速度的控制?改变定子绕组电压的幅值即能改变电机速度。3、电机特性■在BLDC电机中，力矩正比于电流，速度正比于电压，反电势正比于电机转速，因此其控制特性与机械特性均与直流电机基本相同。BLDC电机的机械特性曲线■在连续工作区，电机可被加载直至额定转矩Te■在电机起停阶段，需要额外的力矩克服负载惯性。这时可使其短时工作在短时工作E，只要其不超过电机峰值力矩Tp且在梏性曲线之内即可。4、PWM控制技术■为了使BLDC电机速度可变，必须在绕组的两端加可变电压。■利用PWM控制技术，通过控制PWAI信号的不同占空比，则绕组上平均电压可以被控制，从而控制电机转速。■在控制系统中采用I3SP或单片机时，可利用器件中的PW'［产生模块产生PWM波形。■根据转速要求设定占空比，然后输出6路PWM信号，加到6个功率管上。■以dsPTC30F2010单片机为例：_:—[dsPIC30F2()10的PWM模块计数器(PTMR)PWM^ItJlZffZ凇<PTPER)PWM输出位控制存存器OVDCONDk■-Ii

I,1■,High-voltageRailDriveVoltageToMotoiwinding•当下桥臂的功率管由导通到关断时，上桥臂的功率管延吋一段时间再由关断到导通，以防止桥臂直通。•这个延时时间称为”死区”。•死区可通过编程改变。间插入■特殊函数寄存器◦

VDCOND中的咎位直接控制6个PWM输出通道。当位为1时，己建立的占空比信号出现在该位所对应的输出通道上，当位为0时，其输出被禁止。■通过占空比比较产生的三个输出将被分别传输给死区置入毙震P徵bS盎啻塵裏屏熏i蓬■MCPWM的PWM时基模块中有一个专用的16位PTAER计数器和一个PTPER薮字畚存器，PTXER对定时府知i+薮，PTPER+置入的数字痛定了PWA［信号的周期。PTAIRi卜数器启动计数后，其计数值与PTPER中置入的数字值比较，两#一致时，就输出一个周期的PWM信4。&变PTPER的值，就可以方便的改变计数的闷期，这样就可以改变PWM波形的■PWM发生器#中1^<2数字寄存器中置入的数字确定丫PWM信号的占空比。比较器将设定的比较值PDC*:与PTAtR计数值相比较，产生PWM波形的跳变。只要实时改变比较费的值，就可以改变爷ji周期内高电平或者低电平的脉冲宽度，产伞占空比可调WPWM波形。◦7DC0MSI00000000IOC-uCCCDO|Itmwwi00C0j：：＜■•：

：-2DC000000：:PWM[^M2WM3PWM.PAM5[TLH^nPAW=AM4PAM2PAMC■"A+C-A+B-C+B-HiS«ni9rIrpbt1A■OYDCOND寄存器的值山霍尔传感器输出的二进制编码绕组通电顺序决定。■>.0-2:-1D.cDoicoio,:mic,001001：;.m::i,ccoai口^dl：9-'\H«acTbC+A-