1、Permanent Magnet Brushless DC Motors (PM BLDCMs)三相三狀態BLDCM 原理傳感器：傳感器：H1=1 H2=0 H3=1導通相：導通相：B傳感器：傳感器：H1=1 H2=0 H3=0導通相：導通相：B傳感器：傳感器：H1=1 H2=1 H3=0導通相：導通相：C傳感器：傳感器：H1=0 H2=1 H3=0導通相：導通相：C傳感器：傳感器：H1=0 H2=1 H3=1導通相：導通相：A傳感器：傳感器：H1=0 H2=0 H3=1導通相：導通相：A傳感器：傳感器：H1=1 H2=0 H3=1導通相：導通相：B電動機電動機控制器控制器直流電源直流電源位置

2、傳感器位置傳感器輸出輸出無刷直流電機構成框圖無刷直流電機構成框圖1-1 基本原理基本原理永磁無刷直流電機系統圖永磁無刷直流電機系統圖控制電路對轉子位置傳感器檢測的信號進行邏輯變換控制電路對轉子位置傳感器檢測的信號進行邏輯變換后產生脈寬調制后產生脈寬調制PWMPWM信號，經過驅動電路放大送至逆信號，經過驅動電路放大送至逆變器各功率開關管，從而控制電動機各相繞組按一定變器各功率開關管，從而控制電動機各相繞組按一定順序工作，在電機氣隙中產生跳躍式旋轉磁場。順序工作，在電機氣隙中產生跳躍式旋轉磁場。工作原理工作原理磁極圖示位置磁極圖示位置位置信號位置信號邏輯變換邏輯變換V1、V6開通開通 A、B相導通

3、相導通I:E+-A-B-E- 電機順時針旋轉電機順時針旋轉磁極轉過磁極轉過60o圖示位置圖示位置位置信號位置信號邏輯變換邏輯變換V1、V2 開通開通 A、C相導通相導通I: E+-A-C-E- 電機順時針旋轉電機順時針旋轉轉子每轉過轉子每轉過60o，逆變器開關管換流一次、定子磁狀，逆變器開關管換流一次、定子磁狀態改變一次，電機有態改變一次，電機有6個磁狀態，三相各導通個磁狀態，三相各導通120o轉子磁場順時針連續旋轉、定子磁場隔轉子磁場順時針連續旋轉、定子磁場隔60O跳躍旋轉跳躍旋轉兩相導通星形三相六狀態時繞組和開關管導通順序表兩相導通星形三相六狀態時繞組和開關管導通順序表1-2 基本結構基本

4、結構1） 電機本體電機本體定子：與普通異步電機相同，鐵心中嵌三相定子：與普通異步電機相同，鐵心中嵌三相或多相對稱繞組或多相對稱繞組轉子：永磁結構轉子：永磁結構瓦形（徑向磁化）瓦形（徑向磁化） 矩形矩形(切向磁化切向磁化) 環形環形(徑向磁化徑向磁化) 1轉軸；轉軸；2前端蓋前端蓋；3螺釘，螺釘，4墊片；墊片；5軸承；軸承；6定子；定子； 7一轉子；一轉子；8一傳感器轉子；一傳感器轉子；9后端蓋；后端蓋；10傳感器定子傳感器定子稀土水磁無刷直流電動機結構示意圖稀土水磁無刷直流電動機結構示意圖三相星形三狀態三相星形三狀態2) 逆變器：最常用的為逆變器：最常用的為三相星形六狀三相星形六狀態態 和和三

5、相星形三狀態三相星形三狀態三相星形六狀態三相星形六狀態3) 位置傳感器位置傳感器 磁敏式位置傳感器磁敏式位置傳感器 霍爾元件霍爾元件 電磁式位置信感器電磁式位置信感器 高頻線圈高頻線圈 光電式位置信感器光電式位置信感器 光耦合器件光耦合器件置于磁場中的載流體，如果電流方向與磁場垂直，則置于磁場中的載流體，如果電流方向與磁場垂直，則在垂直于電流和磁場的方向會產生一附加的橫向電場，在垂直于電流和磁場的方向會產生一附加的橫向電場，這個現象是霍普金斯大學研究生霍爾于這個現象是霍普金斯大學研究生霍爾于1879年發現的，年發現的，后被稱為后被稱為。霍爾器件以霍爾效應為其工作基礎霍爾器件以霍爾效應為其工作基

6、礎，是一種磁傳感器。是一種磁傳感器。可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關的場合可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關的場合中使用。中使用。霍爾傳感器主要有兩大類，一類為霍爾傳感器主要有兩大類，一類為，一類為，一類為線性霍爾器件線性霍爾器件。Hall IC 安裝方式第一種方式：第一種方式：將霍爾元件粘貼于電機端蓋內表面，將霍爾元件粘貼于電機端蓋內表面，靠近霍爾元件并與之有一小間隙處，安裝著與電靠近霍爾元件并與之有一小間隙處，安裝著與電機軸同軸的永磁體。機軸同軸的永磁體。第二種方式：第二種方式：直接將霍爾元件敷貼在定子電樞鐵心直接將霍爾元件敷貼在定子電樞鐵心氣隙表面或繞組端部緊靠鐵心處，利用

7、電機轉子上氣隙表面或繞組端部緊靠鐵心處，利用電機轉子上的稀土磁體主極作為傳感器的水滋體，根據霍爾元的稀土磁體主極作為傳感器的水滋體，根據霍爾元件的輸出信號即可判斷轉子磁極的位置，將信號放件的輸出信號即可判斷轉子磁極的位置，將信號放大處理后便可驅動逆變器工作。大處理后便可驅動逆變器工作。Hall IC 安裝示意圖1、三個霍爾元件在空間依次相差120o電角度2、傳感器磁極與轉子磁極同軸旋轉、極數相等、極性相對應電磁式位置傳感器的定子由磁芯、高頻激磁繞組和輸出繞組組成，轉子由扇形磁芯和非導磁襯套組成定、轉子磁芯均由高頻導滋材料(如軟磁鐵氧體)制成。電機運行時，輸入繞組中通以高頻激磁電流，當轉子扇形磁

8、芯處在輸出繞組下面時，輸入和輸出繞組通過定、轉子磁芯耦臺，輸出繞組中則感應出高頻信號，經濾波整形和邏輯處理后，即可控制逆變器開關管。優點1：電磁式傳感器具有較高的強度，可經受較大的振動沖擊，故多用于航空航天領域。優點2：電磁式位置傳感器輸出信號較大，一般不需要經過放大便可直接驅動開關管，但因輸出電壓是交流，必須先整流。缺點：傳感器過于笨重復雜，因而大大限制了其在普通條件下的應用。2 三相永磁無刷直流電動機基三相永磁無刷直流電動機基本公式與數學模型本公式與數學模型無刷直流電機的磁場、電勢、電流波形無刷直流電機的磁場、電勢、電流波形2-1 基本公式基本公式(三相六狀態三相六狀態)1 1電樞繞組感應

9、電勢電樞繞組感應電勢單根導體在氣隙磁場中感應電勢單根導體在氣隙磁場中感應電勢e=BLv)/(60260smnpnDv如電樞繞組每相串聯匝數為如電樞繞組每相串聯匝數為W ，則每相繞組的感，則每相繞組的感應電勢為應電勢為又因為又因為所以：所以：對于三相六狀態電機對于三相六狀態電機,線電壓為：線電壓為：無刷直流電機電動勢公式與直流電機相似無刷直流電機電動勢公式與直流電機相似2 2電樞電流電樞電流電壓平衡方程式：電壓平衡方程式：電源電壓開關管的飽開關管的飽和管壓降和管壓降電阻壓降電樞電流為：電樞電流為：3. 3. 電磁轉矩電磁轉矩所以： Tem=CTIa2-2 三相永磁無刷直流電動機數學模型三相永磁無

10、刷直流電動機數學模型定子相繞組電壓定子相繞組電流定子相繞組自感、互感定子相繞組電動勢微分算子：ia+ib+ic=0Mia+Mib=-MicMib+Mic=-MiaMia+Mic=-Mib電機負載時電樞磁場對主磁場的影響稱為電機負載時電樞磁場對主磁場的影響稱為電電樞反應樞反應。電摳反應與磁路的飽和程度、轉向、電摳繞電摳反應與磁路的飽和程度、轉向、電摳繞組聯結方式、導通順序和磁狀態角的大小有組聯結方式、導通順序和磁狀態角的大小有關。關。二相導通星形三相六狀態為例對電樞反應進二相導通星形三相六狀態為例對電樞反應進行分析行分析m增磁或去磁的數值等于增磁或去磁的數值等于電樞合成磁勢電樞合成磁勢Fa在轉子

11、磁極在轉子磁極軸線上的投影，其最大值為：軸線上的投影，其最大值為：相磁勢：相磁勢：電樞合成磁勢電樞合成磁勢:由于功率開關管只能單向導通，所以由于功率開關管只能單向導通，所以BLDCM反轉不能靠通以反向電壓實反轉不能靠通以反向電壓實現。只有靠控制繞組的導通順序來實現。只有靠控制繞組的導通順序來實現。現。Hall ICPMPM正轉時相互位置關系正轉時相互位置關系uha=uhb=1uhc=0AB導通導通uha=uhc=0uhb=1AC導通導通反轉時相互位置關系反轉時相互位置關系uhb=uhc=1uha=0BC導通導通uha=uhc=0uhb=1AC導通導通永磁無刷直流電動機的機械特性與有刷直流電動永

12、磁無刷直流電動機的機械特性與有刷直流電動機的機械特性的表達式相同，機械特性較硬。機的機械特性的表達式相同，機械特性較硬。但由于公式是在忽略電樞繞組電感時得到的，故但由于公式是在忽略電樞繞組電感時得到的，故與實際電機的機械待性有一定區別。與實際電機的機械待性有一定區別。永磁無刷直流電動永磁無刷直流電動機的機械特性曲線機的機械特性曲線對比對比機械機械 特性曲線組特性曲線組調節特性曲線組換相前換相前:AC導通導通V1A C V2換相中：換相中：BC通、通、A續流續流V3B C V2ACV2 D4 A(A相續流)換相后：換相后：BC通通V3B C V2令令ia(tf )0，得，得ia降為零的時間降為零

13、的時間tf 此時此時在非換向時，即每個導通狀態內，電機的電磁轉矩為在非換向時，即每個導通狀態內，電機的電磁轉矩為5 永磁無刷直流電動機的控制器永磁無刷直流電動機的控制器5-1 開關主電路開關主電路濾波電路濾波電路實現直流電源的低通濾波，形成低內阻硬持性直流電壓源，同時與繞組感性負載交換無功功率，其功能由大電容C2實現緩沖電路緩沖電路是為減少開關管承受的尖峰電壓。由R3、C3、D7組成RDC緩沖電路。緩沖電容C3應選用高頻特性好的無感電容，D7應選擇過渡正向電壓低、反向恢復時間短的快速恢復二極管。逆變電路：逆變電路：功率開關管T1T6、續流二極管D1D6功率開關管TlT6通常為GTR、功率MOS

14、FET、IGBT、GTO以及MCT等功率電子器件，也可以為功率集成電路PIC或智能功率模塊IPM5-2 驅動電路驅動電路 驅動電路驅動電路將控制電路的輸出信號進行功率放大，并向各開關管送去能使其飽和導通和可靠關斷的驅動信號。驅動電路的工作方式直接影響著開關管的一些參數和特性，從而影響著整個電機控制系統的正常工作。開關管的種類不同，對驅動信號的要求也不同，因而對應的驅動電路也不同。常見集成驅動電路常見集成驅動電路 控制電路是無刷直流電動機正常運行并實現各種調速伺服功能的指揮中心，它主要完成以下功能：1)對對轉子位置傳感器輸出的信號、PWM調制信號、正反轉和停車信號進行邏輯綜合信號進行邏輯綜合,

15、給驅動電路提供各開關管的斬波和選通信號, 實現電機的正反轉及停車控制。2)產生PWM調制信號，使電機的電壓隨給定速度信號而自動變化，實現電機開環調速。3)對電動機進行速度閉環調節和電流閉環調節，使系統具有較好的動態和靜態性能。4)實現短路、過流和欠壓等故障保護功能等。控制電路的形式:1、分立元件全模擬電路經濟型2、專用集成控制電路 規模化、專用3、數模混合控制電路 半數字化 (PID)4、全數字控制電路 高性能(MCU DSP)eg1: 以以8098單片機為核心的數字式控制電路單片機為核心的數字式控制電路輸入信號輸入信號：轉子位置傳感器送來的VA、VB、VC，正反轉及停車信號ZZ、FZ、STO

16、P，過流信號IP及調速信號P0.4。至驅動電路的信號為UGl一UG6和PWM斬波信號。單片機8098、鎖存器74LS373和片外程序存儲器27128 (EPROM)組成8098。兩片可編程邏輯器件可編程邏輯器件GAL16V8實現對輸入信號的邏輯綜合。8098單片機通過軟件軟件實現PWM斬波信號輸出、最佳起動過程，通過對位置傳感器的信號計算測量轉速、實現速度閉環和電流閉環的PID控制等功能。以以8098單片機為核心的單片機為核心的eg2: 實用型控制器實用型控制器實用型控制器介紹實用型控制器介紹1) 開關主電路開關主電路電源電壓電源電壓48VDC，經，經LC濾波電路輸出穩定的濾波電路輸出穩定的4

17、8V電壓。電壓。采用三相橋式逆變器，工作方式為采用三相橋式逆變器，工作方式為120o導通型導通型星形三相六狀態。星形三相六狀態。功率開關管功率開關管T1T 6選用高速型選用高速型MOSFET器件器件IR540，D1D6為續流二極管。為續流二極管。采用一個整體型采用一個整體型RCD緩沖電路。緩沖電路。采用采用IR公司的公司的6單元驅動集成電路單元驅動集成電路IR2130，該電路采，該電路采用上橋臂自舉電容工作，驅動用上橋臂自舉電容工作，驅動6個單元僅用一路個單元僅用一路10-20V電源。電源。輸入信號可與輸入信號可與TTL、MOS器件接口。器件接口。芯片內部具有欠壓鎖定、外部過流封鎖和故障輸出指

18、芯片內部具有欠壓鎖定、外部過流封鎖和故障輸出指示功能。示功能。旦過流保護或欠壓鎖定，旦過流保護或欠壓鎖定，LA2會發光指示。會發光指示。調節調節W3可調節過流保護值。為了防止干擾引起誤觸可調節過流保護值。為了防止干擾引起誤觸發而產生假過流現象，在發而產生假過流現象，在IR2130的的9腳過流封鎖端加腳過流封鎖端加一小電容進行濾波。一小電容進行濾波。包括包括PWM生成電路生成電路和和邏輯綜合電路邏輯綜合電路兩部分。兩部分。PWM生成電路采用生成電路采用SG3525PWM脈沖形成電路來產生斬波脈沖形成電路來產生斬波調壓信號。調壓信號。SG3525工作時，腳工作時，腳11、l 4輸出兩路互差輸出兩路互差180o的的PWM信號，信號，調節調節W1可使可使PWM占空比在占空比在00. 98范圍內變化。范圍內變化。邏輯綜合電路用邏輯綜合電路用GALl6V8門陣列可編程器件來實現。門陣列可編程器件來實現。三個霍爾元件三個霍爾元件(HA、HB、HC)輸出信號經上拉電阻后變為輸出信號經上拉電阻后變為+5V開關脈沖，送入開關脈沖，送入GALl6V8。正、反轉信號經開關正、反轉信號經開關K來實現，停機操作由來實現，停機操作由PWM脈沖信號脈沖信號為零來保證。為零來保證。以上信號按以上信號按120o三相六狀態導通規則進行邏輯合成，生成三相六狀態導通規則進