Chapter7永磁無刷DC電動機調速系統（PermanentMagnetBrushlessDCMotorDriveSystem)直流電動機（DCMotor）特點起動和調速性能好，堵轉轉矩大，被廣泛應用于各種驅動和伺服系統中。DC電動機（續）但是，直流電動機具有電刷和換向器組成的機械換向裝置，其間的滑動接觸，嚴重地影響電機的精度和可靠性，縮短電機壽命，需要經常性的維護，所產生的火花會引起無線電干擾；電刷換向器裝置又使直流電機結構變得復雜，工作噪音大。Chapter7PMBLDCM永磁無刷DC電動機調速系統（PermanentMagnetBrushlessDCMotorDrives，簡稱為PMBLDCM）Chapter7PMBLDCM是集永磁電動機、微處理器、功率變換器、檢測元件、控制軟件和硬件于一體的新型機電一體化產品，它采用功率電子開關（如GTR、MOSFET、IGBT）和位置傳感器代替電刷和換向器，既保留了直流電動機良好的運行性能，又具有交流電動機結構簡單、維護方便和運行可靠等特點，在航空航天、數控裝置、機器人、計算機外設、汽車電器、電動車輛和家用電器的驅動中獲得了越來越廣泛的應用。Chapter7PMBLDCMWhyweselectthePMBLDCM?ReliablestructureSimplecontrolRobustnessLownoise(EMI+acoustic)vs.BrushedtypemachineHighefficiencyChapter7PMBLDCM第二節

PMBLDCM的基本結構和工作原理永磁無刷直流電動機主要由永磁電機本體、轉子位置傳感器和功率電子開關（逆變器）三部分組成圖7-1永磁無刷直流電動機的原理框圖Chapter7PMBLDCM一、基本結構圖7-2永磁無刷直流電動機的結構簡圖Chapter7PMBLDCM電動機本體電動機本體是一臺反裝式的普通永磁直流電動機，它的電樞放在定子上，永磁磁極放在轉子上，結構與永磁式同步電動機相似。定子鐵心中安放對稱的多相繞組，通常是三相繞組，繞組可以是分布式或集中式，接成星形或封閉形，各相繞組分別與電子開關中的相應功率管連接。永磁轉子多用鐵氧體（Ferrite）或釹鐵硼（NdFeB）等永磁材料制成，不帶鼠籠繞組等任何起動繞組，主要有表面貼裝式和內嵌式結構，如圖7-3所示。Chapter7PMBLDCM圖7-3永磁轉子結構型式(a)表面貼裝式；(b)內嵌式.1－磁鋼；2－鐵心（a)（b）Chapter7PMBLDCM外轉子洗衣機PMBLDCMChapter7PMBLDCMChapter7PMBLDCM2.逆變器

逆變器主電路有橋式和非橋式兩種，如圖7-4所示。其中圖(a)、(b)是非橋式開關電路，其它是橋式開關電路。在電樞繞組與逆變器的多種聯接方式中，以三相星形六狀態(圖7-4(c))和三相星形三狀態(圖7-4(a))使用最廣泛。Chapter7PMBLDCM（a）(a)星形三相三狀態；(b)星形四相四狀態；(c)星形三相六狀態；(d)封閉三相六狀態（b）（c）（d）圖7-4逆變器主電路Chapter7PMBLDCM(e)正交兩相四狀態(f)封閉四相四狀態Chapter7PMBLDCM3.轉子位置傳感器常見的有磁敏式、電磁式和光電式磁敏式位置傳感器利用電流的磁效應進行工作，所組成的位置檢測器由與轉子同極數的永磁檢測轉子和多只空間均布的磁敏元件構成。目前，常用的磁敏元件為霍爾元件或霍爾集成電路，它們在磁場作用下產生霍爾電勢，經整形、放大后得到所需的電壓信號，即位置信號。圖7-5為霍爾集成電路。Chapter7PMBLDCM（a）外形（a）外形（a）外形（b）電路原理（c）開關型輸出特性圖7－5Hall集成電路Chapter7PMBLDCM霍爾集成電路分為：（1）線性；（2）開關型無刷直流電動機中一般使用開關型霍爾位置傳感器結構簡單、體積小，但對環境和工作溫度有一定限制。霍爾位置傳感器是永磁無刷直流電機中使用較多的一種。(2)電磁式位置傳感器電磁式位置傳感器利用電磁效應來測量轉子位置，其結構如圖7-6所示。傳感器由定子和轉子兩部分組成。定子由磁芯、高頻勵磁繞組和輸出繞組組成。定、轉子磁芯均由高頻導磁材料（如軟鐵氧體）制成。電機運行時，輸入繞組中通入高頻勵磁電流，當轉子扇形磁芯處在輸出繞組下面時，輸入和輸出繞組通過定、轉子磁芯偶合，輸出繞組中感應出高頻信號，經濾波整形處理后，用于控制逆變器開關管。Chapter7PMBLDCM圖7-6電磁式位置傳感器1－轉子磁芯；2－定子磁芯；3－輸出繞組；4－高頻輸入繞組

(3)光電式位置傳感器光電式位置傳感器由固定在定子上的幾個光電偶合開關和固定在轉子軸上的遮光盤所組成，如圖7-7所示。若干個光電偶合開關沿圓周均布，每個光電偶合開關由相互對著的紅外發光二極管D1和光敏三極管V1組成。遮光盤P處于發光二極管和光敏三極管中間，盤上開有一定角度的窗口。紅外發光二極管通電后發出紅外光，遮光盤隨電機轉子一起旋轉，紅外光間斷地照在光敏三極管上，使其不斷地導通和截止，它輸出的信號反應了電機轉子的位置，經V2放大后驅動逆變器開關管。

Chapter7PMBLDCM圖7－7光電式位置傳感器Chapter7PMBLDCM二相導通星形三相六狀態三相永磁無刷直流電動機，配上圖7-4(c)所示的逆變器便可實現二相導通星形三相六狀態，其原理接線如圖7-2所示。當轉子永磁體轉到圖7-10（a）所示位置時，轉子位置傳感器發出磁極位置信號，經過控制電路邏輯變換后驅動逆變器，使功率開關管V1、V6導通，A進B出，繞組A、B通電，電樞電流在空間形成磁勢FA，如圖7-10（a）所示。此時定、轉子磁場相互作用拖動轉子順時針方向轉動。電流流通路徑為：電源正極→V1管→A相繞組→B相繞組→V6管→電源負極。（a）（b）

圖7-10二相導通三相星形六狀態無刷直流電機工作原理示意圖當轉子轉過60電角度，到達圖7-10（b）中位置時，位置傳感器輸出的信號，經邏輯變換后使V6截止，V2導通，此時V1仍導通。繞組A、C通電，A進C出，電樞電流在空間合成磁場如圖7-10（b）所示，定、轉子磁場相互作用使轉子繼續順時針方向轉動。電流流通路徑為：電源正極→V1管→A相繞組→C相繞組→V2管→電源負極。依次類推，每當轉子沿順時針方向轉過60電角度時，功率管就進行一次換流。隨著電機轉子的連續轉動，功率開關管的導通順序依次為V2V3→V3V4→V4V5→V5V6→V6V1……，使轉子磁場始終受到定子合成磁場的作用而沿順時針方向連續轉動。Chapter7PMBLDCM從圖7-10（a）到7-10（b）的60電角度范圍內，轉子磁場順時針連續轉動，而定子磁場在空間保持圖7-10（a）中的位置不動，只有當轉子磁場轉過60電角度到達圖中7-10（b）的位置時，定子合成磁場才從圖7-10（a）中位置順時針躍變至7-10（b）中的位置。定子合成磁勢在空間是一種跳躍式旋轉磁場，其步進角為60電角度，即1/6周期。

轉子每轉過60電角度（1/6周期），逆變器開關管換流一次，定子磁場狀態就改變一次。可見，兩相導通三相六狀態控制方式時電機有6個磁狀態，每一個狀態各有不同相的上、下橋臂開關管導通，每個功率開關元件導通120電角度（1/3周期），逆變器為120導通型；另一方面，每一個狀態導通的兩個開關管與不同相繞組相聯，每一個狀態導通兩相，每相繞組中流過電流的時間相當于轉子轉過120電角度的時間。兩相導通星形三相六狀態PMBLDCM的三相繞組與開關管導通順序的關系示于表7-1。表7-1兩相導通星形三相六狀態三相繞組和開關管導通順序表第三節永磁無刷直流電動機的運行特性一、基本方程永磁無刷直流電動機的基本物理量有反電動勢、電樞電流、電磁轉矩和轉速等。圖7-11方波氣隙磁場分布圖7-11方波氣隙磁場分布

Chapter7PMBLDCM圖7-12梯形波反電動勢與方波電流Chapter7PMBLDCM為了便于分析，特作如下假設：（1）忽略電樞繞組的電感，電樞電流可以突變；（2）不考慮開關管導通和關斷動作的過渡過程，認為每一相電流是瞬時產生和關斷的。1.電樞繞組感應電動勢設電樞每相繞組串聯匝數為W，每相感應電動勢為

（7-1）（7-2)

Chapter7PMBLDCM（7-3）方波氣隙磁感應強度對應的每極磁通為（7-4）每相繞組感應電動勢為（7-5）則線電動勢為（7-6）式中，為電動勢常數Chapter7PMBLDCM2.電樞電流（7-8）

3.電磁轉矩電機的電磁轉矩

（7-9）為電機的機械角速度。則有式中，Chapter7PMBLDCM

（7-10）4.轉速將式（7-6）代入式（7-7）得

（7-11）

（7-12）空載轉速為其中，Chapter7PMBLDCM5.電勢系數與轉矩系數電動勢系數為

（7-13）

（7-14）轉矩系數為二、運行特性1.機械特性由式（7-11）可得永磁無刷直流電動機的機械特性為（7-15）

圖7-13機械特性曲線

圖7-14調節特性曲線

2.調節特性根據式（7-8）、式（7-10）和式（7-11）可分別求得調節特性的始動電壓和斜率K，即

（7-16）

（7-17）第四節永磁無刷直流電動機的控制方法一、有位置傳感器控制（1）轉速控制：通過PWM方法改變電壓大小調節轉速；（2）正、反轉控制：通過改變繞組的通電順序（3）電流控制：電流的閉環控制圖7-16單片機控制永磁無刷直流電動機原理圖PMBLDC仿真電流波形PMBLDCM正常換相時電流實驗波形

換相超前時ABC三相電流試驗波形

二、無位置傳感器控制無位置傳感器控制方式一般指的是電機無機械式位置傳感器，即不在無刷直流電動機的定子上直接安裝位置傳感器來檢測轉子位置。但是在電機的控制運行過程中，轉子位置換相信號是必需的。所以，永磁無刷直流電機無位置傳感器控制的關鍵是設計一轉子位置信號檢測電路，從硬件和軟件兩個方面來間接獲取可靠的轉子位置信號。Posit