STM32G4入门与电机控制实战-基于X-CUBE-MCSDK的无刷直流电机与永磁同步电机控制实现 课件 第五章

第五章

无刷直流电机控制技术2024年6月26日无刷直流电机系统构成123无刷直流电机的数学模型无刷直流电机的控制原理无刷直流电机简介无刷直流电机是随着电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型直流电机，它是现代工业设备中重要的运动部件。无刷直流电机以法拉第的电磁感应定律为基础，而又能和新兴电力电子技术、数字电子技术较好的结合，具有广阔的发展和应用空间。无刷直流电机以电子换向器取代了机械换向器，从根源上解决了传统直流电机在机械换相时产生的各种损耗和故障等问题，在安全性能等方面亦明显高于其他传统直流电机。无刷直流电机系统构成015.1无刷直流电机系统构成无刷直流电机系统主要包括电机本体、位置传感器及控制驱动电路。控制器利用位置检测电路检测转子位置，根据获得的转子位置信号管理电子换相电路，按照一定规律改变逆变电路中电子开关器件的开关状态，从而驱动电机运转。图5-1无刷直流电机系统结构5.1.1电机本体无刷直流电机基本结构和其他电机类似，主要由永磁材料制作的转子、带有线圈绕组的定子和位置传感器组成。以转子位置为分类依据，可分为内转子和外转子两种类型。图5-2内转子无刷直流电机结构图5-3外转子无刷直流电机结构5.1.2位置传感器霍尔位置传感器，是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，它可以有效的反映通过霍尔元件的磁密度。如图5-6所示，HA，HB，HC分别安装在电机的60°，180°，300°这三个位置，其中A，a，B，b，C，c表示无刷直流电机内的三相绕组，将360°电角度分为6个部分。图5-6霍尔位置传感器安装图5.1.2位置传感器由霍尔效应来判断转子位置，当转子永磁体接近霍尔元件时，便会产生霍尔现象，发生信号跳变，根据电平的变化判断转子的位置，三个霍尔元器件，每种霍尔元器件有高低两种电平，共有8种情况，除去111和000两种无效的判断方式，一个电周期有6次信号跳变，每种信号占60°。5.1.3控制驱动电路控制器的作用是对电机的转速和转矩等指标进行控制以及对电机进行过热、过流保护。驱动器的作用是指在控制器的作用下，驱动电机输出所需要的电功率。一般采用的驱动芯片大多是用于几十瓦功率的电机中的MOSFET与用于上千瓦功率的电机中的IGBT。图5-7三相Y型驱动电路5.1.3控制驱动电路三相全桥式驱动方式有两两导通和三三导通两种方式。

两两导通方式每一时刻有两个功率管导通，两相绕组存在电流，第三相悬空失电。两两导通方式，一共六种导通状态，则将功率管依次导通的顺序为（VT1，VT6）→（VT1，VT2）→（VT3，VT2）→（VT4，VT3）→（VT4，VT5）→（VT6，VT5），这6种状态的循环往复可以使电机正常运转，其中每隔60°电角度就变换一次开关管的状态，而变换一次状态只需要对一个开关管进行导通或关闭。三三导通方式开关管在运行周期内导通180度电角度，每60度换相一次，三相绕组同时有电流，没有悬空相。无刷直流电机的数学模型025.2.1定子电压方程定子电压平衡方程为假设无刷直流电机三相绕组对称：

图5-8BLDCM的等效电路图

5.2.2反电势方程

转速与总感应电动势的关系为

假设直流电机绕组每一相的匝数为

，由于每一相有两根导体，所以每一相绕组的总感应电动势为

5.2.3电磁转矩方程直流电机的电磁转矩是指电机在正常运行时，电枢绕组流过电流，这些载流导体在磁场中受力所形成的总转矩。

5.2.4运动方程

、

分别为电磁转矩和负载转矩(Nm)，

为电机角速度，

为黏滞摩擦系数(N·m·s)，

为电机转子的转动惯量(kg·m2)

无刷直流电机的控制原理035.3.1有感六步方波控制原理当三相之间两两通电时，有AC、AB、CB、CA、BA、BC六种情况，中间的转子会尽量使自己内部的磁场方向与外磁场方向保持一致。当转子到第一幅图合成磁场方向的时候，线圈换相，改成AB相通电，这时转子会继续运动，并尽量往第二幅图合成磁场方向，再往后依次类推。当线圈完成六次换相后，转子正好旋转一周，即360°图5-10定子三相绕组星形联结方式的二二导通情况5.3.1有感六步方波控制原理

方波控制最为核心的部分就是通过逆变桥，根据霍尔位置传感器得知当前转子位置，按照特定的换相序列进行换相操作。图5-11梯形波控制原理示意图图5-12霍尔信号采样及比较示意图5.3.1有感六步方波控制原理把连续的开通转变为开/关交替的PWM形式，来实现直流无刷电机的调速控制。类别霍尔#1霍尔#2霍尔#3A+A-B+B-C+C-方向正转（顺时针）101关闭开通关闭关闭开通关闭↓001关闭开通开通关闭关闭关闭↓011关闭关闭开通关闭关闭开通↓010开通关闭关闭关闭关闭开通↓110开通关闭关闭开通关闭关闭↓100关闭关闭关闭开通开通关闭↓反转（逆时针）101关闭关闭开通关闭关闭开通↑001开通关闭关闭关闭关闭开通↑011开通关闭关闭开通关闭关闭↑010关闭关闭关闭开通开通关闭↑110关闭开通关闭关闭开通关闭↑100关闭开通开通关闭关闭关闭↑表5-1BLDCM的正反转控制图5-13通过PWM控制的方式进行调速5.3.2无感反电动势控制原理电流波形为矩形，绕组中产生的反电动势波形为梯形。原理：连续获取三相绕组的悬空相的反电动势过零点，得到三路过零信号，将三路过零信号延迟30°电角度得到转子换相信息，输送给控制器控制电机换相，形成闭环控制。

对于120°导通方式下的三相六状态无刷直流电机，旋转过60°电角度后，就需要对电机进行换相，因此在检测到反电动势过零信号后，可以进行换相的所需要的延迟30°或者90°，可以对电机进行换相。图5-14三相绕组通电和反电动势波形5.3.2无感反电动势控制原理——反电动势法检测方式将空间上的360°电角度平均分为6个区域。在电机运行转动过程中，定子绕组相对转子运动切割转子永磁体磁感线产生反电动势，并且反电动势值的正负是随着转子极性改变的。确定反电动势正方向后，反电动势极性出现正负变化。图5-16霍尔信号与反电动势信号的对应关系转子位置（电角度）30°~330°330°~270°270°~210°210°~150°150°~90°90°~30°开关管VT5VT6VT4VT5VT3VT4VT2VT3VT1VT2VT6VT1A悬空--悬空++B-悬空++悬空-C++悬空--悬空表5-2顺时针换相逻辑5.3.2无感反电动势控制原理——反电动势检测的衍生算法1.端电压检测法需要增加比较电路，通过测量关断相端电压，与构建的虚拟中性点电压比较间接求得反电势过零信号。2.反电动势积分法将悬空相反电动势过零点后的电势做积分处理，当积分达到预设的阈值时停止积分，此时就是电机的换相时刻。3.续流二极管法是在电机PWM调速控制时，