1、有位置無刷直流電動機控制總一 原理介紹 無刷直流電動機是從用電子換向取代直流電動機的機械換向發展起來的，它解決了直流電動機機械換向的問題。它既有交流電機的優點如：結構簡單、運行可靠、維護方便等，又有直流電機的優點如：起動轉矩大、調速范圍寬、控制電路簡單以及線性機械特性等。下面是無刷直流電動機結構、原理、數學模型以及有位置仿真的介紹。1 無刷直流電動機的基本結構直流電動機是由電動機本體、位置檢測器、逆變器和控制器組成的自同步電動機系統或自控式變頻同步電動機，如圖1圖1無刷直流電動機系統位置檢測器檢測轉子磁極的位置信號，控制器對轉子位置信號進行邏輯處理并產生相應的開關信號，開關信號以一定的順序觸發

2、逆變器中的功率開關器件，將電源功率以一定的邏輯關系分配給電動機定子各相繞組，使電動機產生持續不斷的轉矩。下面我們介紹無刷直流電動機各部分的基本結構。1. 電機本體無刷直流電動機最初的設計思想來自普通的有刷直流電動機，不同的是將直流電動機的定、轉子位置進行了互換，其轉子為永磁結構，產生氣隙磁通；定子為電樞，有多相對稱繞組。原直流電動機的電刷和機械換向器被逆變器和轉子位置檢測器所代替。所以無刷直流電動機的電機本體實際上是一種永磁同步電機，如圖2圖2無刷直流電動機結構示意圖其作用是進行機電能量轉換。由定子、轉子、轉子位置檢測器組成。定子由定子繞組、定子鐵心、機座構成，轉子是電機的轉動部分，由永磁體、

3、導磁體和支撐部件組成。2. 逆變器逆變器將直流電轉換成交流電向電機供電。與一般逆變器不同，它的輸出頻率不是獨立調節的，而是受控于轉子位置信號，是一個“自控式逆變器”。由于采用自控式逆變器，無刷直流電機輸入電流的頻率和電機轉速始終保持同步，電機和逆變器不會產生振蕩和失步，這也是無刷直流電機的重要有點之一。3. 位置檢測器 見圖 2由轉子和定子兩部分組成，其轉子與電機轉子同軸，定子則固定在電機本體端蓋上，作用是將轉子磁極位置轉換為電脈沖信號，送給控制器?？刂破魇峭瓿蔁o刷直流電動機一切功能的核心。根據轉子的位置決定功率開關管的輸出時序，實現電機的啟動、停止，正、反轉，并且對電機的短路、過流、過壓、欠

4、壓等故障進行保護。 4控制器 控制器是完成無刷直流電動機一切功能的核心。根據轉子的位置決定功率開關管的輸出時序，實現電機的啟動、停止，正、反轉，并且對電機的短路、過流、過壓、欠壓等故障進行保護。2 無刷直流電動機的工作原理與普通直流電機不同，直流無刷電機把電樞繞組放在定子上，永久磁鋼放在轉子上，根據檢測到的轉子實際位置，按照事先編制好的程序由控制器發出電樞，發出電樞繞組導電時序，使得電樞磁勢與轉子磁勢始終保持在平均值為90°，的電角度，以產生恒定的電磁轉矩。下面以一對磁極，每極每相60°相帶，電樞繞組A、B、C三相星形連接全橋驅動為例，說明無刷直流電動機的工作原理，如圖 3

5、。圖 3三相無刷直流電動機系統假設當轉子處于圖 4 a)位置時為0，相帶X、B、Z在N極下，相帶A、Y、C在S極下，轉子位置傳感器輸出的信號經控制電路邏輯變換后驅動逆變器，使VT1、VT6導通，電流從電源的正極流出，經VT1流入A相繞組，再從B相繞組流出，經VT6回到電源的負極。電樞繞組在空間產生的磁動勢為圖4a)中Fa，此時定子磁場Fa與轉子磁場Fr相互作用，使電機的轉子逆時針轉動。各相通電波形見圖 5所示。當轉過60角后，轉子位置如圖 4 b)所示。 a) A+，B- b)轉過60° c)繼續旋轉d) A+，C- e)轉過60° f) B+，C-g) B+，A-圖 4

6、無刷直流電動機工作原理示意圖 這時如果轉子繼續轉下去就進入圖 4 c)所示的位置，這樣就會使同一磁極下的電樞繞組中有部分導體的電流方向不一致，它們相互抵消，削弱磁場，使電磁轉矩減小。因此，為了避免出現這樣的結果，當轉子轉到圖 4 b)的位置時，就必須換相。使B相斷電，C相通電。這樣，使轉子位置傳感器輸出的信號經控制電路邏輯變換后驅動逆變器，使VT1、VT2導通，電流從電源的正極流出，經VT1流入A相繞組，再從C相繞組流出，經VT2回到電源的負極。電樞繞組在空間產生的磁動勢Fa如圖 4 d)示，此時定轉子磁場相互作用，使電機的轉子繼續逆時針轉動。轉子繼續旋轉，轉過60°角后到圖 4e)

7、所示位置，根據上面講的道理必須要進行換相，即A相斷電，B相正向通電。換相后如圖2-4 f)所示。轉子再轉過60°角，則再進行換相，使C相斷電，A相反向通電，如圖 4 g)所示。 圖 5電流與感應電動勢波形這樣如此下去，轉子每轉過60°就換相一次，相電流按圖 5所示的順序進行斷電和通電，電動機就會平穩地旋轉下去。易知轉子在空間每轉過60°電角度，定子繞組就進行一次換流，定子合成磁場的磁狀態就發生一次躍變?？梢?，電機有六種磁狀態，每一狀態有兩相導通，每相繞組的導通時間對應于轉子旋轉120°電角度。我們把無刷直流電動機的這種工作方式稱為兩相導通星形三相六狀態。

8、在圖 4 a)到圖 4 b)的60°電角度范圍內，轉子磁場沿順時針連續旋轉，而定子合成磁場在空間保持圖 4 a)中Fa的位置靜止。只有當轉子磁場連續旋轉60°電角度，到達圖 4 b)所示的Fr位置時，定子合成磁場才從圖 4 a)的Fa位置跳躍到圖 4 d)中的Fa位置?？梢?，定子合成磁場在空間不是連續旋轉的，而是一種跳躍式的旋轉磁場，每個步進角是60°電角度。3 無刷直流電動機的數學模型 下面我以兩項導通星形三相六狀態為例，分析無刷直流電動機的數學模型。無刷直流電機定子感應電動勢為梯形波，繞組間的互感是非線性關系。直接利用電機原有的相變量來建立數學模型比較方便，又

9、能獲得較準確的結果。為了便于分析，現做如下簡化：(1) 電動機的氣隙磁場在空間呈梯形（近似為方波）分布；(2) 忽略齒槽效應，電樞導體連續分布于電樞表面；(3) 電樞反應對氣隙磁通的影響忽略不計；(4) 忽略電機中的鐵心飽和，不計磁滯損耗和渦流損耗；(5) 三相繞組完全對稱；(6)逆變器的功率管和續流二極管具有理想的開關特性。由于轉子的磁阻不隨轉子位置的變化而改變，因此定子繞組的自感和互感為常數，則相繞組的電壓平衡方程可表示為式中：ua、ub、uc 為定子各相繞組電壓；ia、ib、ic 為定子各相繞組電流；ea、eb、ec 為定子各相繞組反電動勢；r 為每相繞組的電阻；L為每相繞組的自感；M為

10、每兩相繞組間的互感。由于三相繞組為星形連接，即，因此，所以式(2-1)可以變為由此可以得到無刷直流電動機的等效電路如圖 6所示。圖中，為直流側電壓，VT1VT6為功率開關器件，VD1VD6為續流二極管，圖中標出的相電流和相反電動勢的方向為其正方向。圖 6無刷直流電動機的等效電路無刷直流電動機的電磁轉矩是由定子繞組中的電流與轉子磁鋼產生的磁場相互作用而產生的，電磁轉矩表達式為 式中：、為三相繞組的反電動勢；、為三相繞組的電流；為轉子的機械角速度。電機的運動方程為 式中為轉子及負載的轉動慣量，為負載轉矩，為空載制動轉矩。于 Y 形連接的永磁無刷直流電機，在其通電期間，其定子中的帶電導體均處于相同的

11、磁場之下，其相繞組的感應電動勢幅值為n電機的轉速；每極磁通，單位Wb，；相電動勢常數，； 電機每相繞組的串連匝數； 極對數；計算極弧對數。 對于交直交變頻器系統，永磁無刷直流電機的兩相繞組串連經逆變器與直流電源相連。從逆變器的直流側看，電機電樞繞組電動勢為 電機的電動勢常數， 。電樞繞組的電流為：在任一時刻，電機的電磁轉矩由兩相繞組的合成磁場和轉子磁場相互作用產生，則；式中電機的轉矩常數，； 轉子的機械角速度，。電機的轉速為：二 無刷直流電動機有位置傳感器控制及仿真 無刷直流電動機系統通常采用轉速、電流雙閉環控制，系統原理圖如圖 7所示。其中，ASR和ACR分別為轉速和電流調節器，通常采用PI

12、D算法。速度為外環，電流為內環，由于，電流環調節的實際上是電磁轉矩。速度給定信號n*與速度反饋信號n送給速度調節器（ASR），速度調節器的輸出作為電流信號的參考值i*，與電流信號的反饋在一起送至電流調節器（ACR），電流調節器的輸出為電壓參考值，與給定的載波比較后，形成PWM調制波，控制逆變器的實際輸出電壓。邏輯控制單元的任務是根據位置檢測器的輸出信號決定導通相，被確定要導通的相不總是在導通，它還要受PWM輸出信號的控制，邏輯“與” 單元的任務就是把換相信號和PWM信號結合起來，在送到功率開關管的門極。圖 7 無刷直流電動機系統原理圖1 位置信號檢測的實現 在無刷直流電動機中，常用的位置傳感器

13、主要有以下幾種類型：電磁式位置傳感器、磁敏式位置傳感器和光電式位置傳感器，以下主要介紹磁敏式位置傳感器。 常見的磁敏式位置傳感器是由霍爾元件或霍爾集成電路構成的，其結構簡單、性能可靠、成本低，是目前在無刷直流電動機上應用最多的一種位置傳感器。 將霍爾傳感器的轉子與電機本體同軸，一跟蹤電機本體轉子磁極的位置；其定子固定在電機本體定子或端蓋上，以檢測盒輸出轉子位置信號，如圖2。霍爾傳感器與電樞繞組、磁極的初始位置如圖 8 圖8 霍爾傳感器與電樞繞組、磁極的相對位置讓其順時針旋轉，霍爾位置信號和反電動勢相位關系如圖 9圖 9 霍爾位置信號和反電動勢相位的關系霍爾信號與反電動勢的對用關系為用Simul

14、ink實現此邏輯轉換電路如圖 10圖 10 霍爾位置信號與反電動勢的邏輯轉換反電動勢信號在轉換成門極信號來觸發功率管，來控制三相繞組的導通。其對應關系為用Simulink實現此邏輯轉換電路如圖 11圖 11 反電動勢與門極信號的邏輯轉換2 速度、電流雙閉環控制的實現 在Simulink環境下的仿真電路圖如圖 12所示 圖 12 速度、電流雙閉環控制仿真圖速度給定值為800，速度調節器、電流調節器及電流濾波器的參數設置分別如圖 13、14、15圖 13 速度調節器的參數設置圖 14 電流調節器的參數設置圖 15 電流濾波器的參數設置以上實現了直流無刷電動機速度、電流的雙閉環控制。3 PWM波的實現 將三角波與常量做個比較，即可得到PWM波，Simulink環境下實現電路圖如圖 16圖 16 PWM波的實現 以上為各模塊的仿真實現，最后仿真出來的轉速、轉矩、反電動勢波及電流形如圖 17、18、19、20圖 17 轉速波形圖 18 轉矩波形圖 19 反電動勢波形圖 20 電流波形三 總結與感受 通過這段時間的學習，我了解無刷直流電動機