DC(AM50)MOTOR结构和原理简单介绍.doc

Brushless DC（AM50）MOTOR结构和原理简单介绍 作者：技术部 - 张 健时间：2005/12/27备注：恭请批评、指正。1. 概述： 无刷直流电机是最近发展起来的结合了多学科技术的一种新型电机，结合机电一体化，具有高速度、高效率（效率80%）、高动态响应、高热容量、高可靠性等优点，同时还具有低噪声、长寿命、无换向火花和体积小等特点。 目前无刷电机已广泛应用于各种领域，如家用电器、医疗仪器、分析仪器、激光设备、办公设备、机床工业、纺织工业和轻工机械等。2. DC 马达的结构。无刷直流马达由同轴的外部定子电枢和内部永磁转子组成。定子电枢是电机的引导部分，永磁转子是电机的感应部分。定子电枢为3相（U，V，W），无刷直流电机是同步电机，定子磁场的旋转速度和转子的机械旋转速度保持一致。2.1 定子结构。2.1.1 定子铁心：定子铁心有两个用处： 一个用处是提供主磁路的主要部分 另一个用处是嵌放电子电枢绕组。直流马达的定子结构：用0.5mm厚涂有绝缘漆的硅钢片（磁导率比较高，磁滞损耗小，所以普遍用做电机和变压器的导磁材料）叠压（减小涡流损耗）成的直线型定子，定子卷线完成后，再将其卷成一标准圆形。磁滞损耗：铁磁材料在反复磁化过程中，因磁化的不可逆过程会造成能量损失，这种由磁滞现象引起的损耗，称为磁滞损耗。涡流损耗：当通过铁磁材料的磁通发生变化，铁磁材料中将感应电势以及沿短路铁线圈产生短路电流，称为涡流。涡流在铁磁材料中引起的电阻性损耗称为涡流损耗。铁损：磁滞损耗和涡流损耗合计在一起，统称铁损。2.1.2 定子线圈由U，V，W三相绕组组成，且按Y形接法饶在定子铁心上。定子卷线方式为集中卷。集中卷优点为电机体积小。2.2 转子结构。2.2.1 直流无刷马达转子由转子铁心和硬磁材料（即永磁体）组成。常见的硬磁材料有：合金磁钢，铁氧体和稀土永磁材料等。我公司常用的是：树脂材料和铁氧体材料，利用强磁场对该材料着磁（即磁化），使之变为永磁体。我公司无刷直流电机的转子大部分为8 极永磁转子。 磁 滞 回 线3. 无刷直流马达的工作原理（120方波驱动）。3.1 基本工作原理通过控制马达基板上的6个可控功率MOSFET或功率IGBT（小功率马达此6个功率器件集成在POWER IC 内部）的导通和关断，来控制马达定子电枢旋转磁场的速度，也即可达到控制马达转子旋转速度的目的。6个功率MOSFET的循环导通频率越高，定子电枢的磁场旋转越快，转子的机械转速也就越快。6个IBGT的导通关断控制分为6个步骤，依次按此6个步骤循环导通关断6个功率MOSTET。见下图。 步骤1时，T1，T4导通，T2，T3，T5，T6关断。步骤2时，T1，T6导通，T2，T3，T4，T5关断。为保证定子电枢的磁场旋转速度和转子机械旋转速度同步，通过马达基板上的HALL IC检测转子位置，使马达工作在闭环控制状态下。 3.2 AM50马达基板回路工作原理（请参见AM50基板原理图）3.2.1 目前我公司的内至驱动无刷直流马达共引出5根控制导线，分别为： Vm: 中国向DC马达多为310Vdc, 日本向DC马达多为280Vdc. 该电压用于马达U，V，W三相绕组，给三相绕组提供励磁电流。 Vcc: 15 Vdc， 给马达内部基板回路上的功率IC，驱动IC等提供工作电压。 FG: 马达转速反馈信号。是一脉冲信号。 Vsp: 马达转速控制的速度指令电压。 GND: 公共地。3.2.2 AM50 无刷直流马达基板回路主要元器件功能简述： Z01，C12：稳压二极管和电容功能：吸收Vm电源线上浪涌，杂波信号。 IC2，IC3，IC4：HALL IC。功能：检测转子位置。 C7，C8，C9：电容功能：对HALL 输出信号滤波。 PT1：正温度系数热敏电阻。功能：用于马达过热保护。当马达温度升高时，PT1热敏电阻阻值升高，POWER IC的RS端口电压同时升高，POWER IC 将关闭输出。 R1，R2，R8，R9：电阻功能：用于马达过流保护。当马达电流升高，POWER IC的RS端口电压同时升高，POWER IC 将关闭输出。 C10，R4：阻容功能：设置马达内部三角波的频率。该三角波和Vsp通过电压比较器进行电压比较，产生PWM脉宽调制信号。 Z02：稳压二极管功能：对Vcc电压钳位，并吸收浪涌。 C1，C6：功能：滤波电容。 Q1：NPN三极管功能：用于FG输出。该三极管为集电极开路电路，实现马达内部电压和马达外部控制电压隔离。 IC1：功率IC。功能：输入速度指令信号处理、HALL信号处理、过流保护、马达U、V、W三相控制信号输出等。以上。附1：AM50马达基板回路原理图：附2： High voltage (PWM) DC motor and Low voltage (PAM) DC motor 家用电器用直流马达有高压直流马达和低压直流马达。但目前，低压直流马达越来越多的被高压直流马达多代替。高压直流PWM控制方式马达：中国m310V，日本m140V或280V。低压直流PAM控制方式马达：30V。低压，高压马达控制方式对比：低压马达高压马达高压马达控制优点需要大电流的开关电源，设计困难。整流滤波，稳压电源设计简单电压需要从高压调节到低压不需要没有电压调整损耗大电流的整流桥低电流整流桥整流桥上的损耗小大电流的低电流上的损耗小低压控制，但电流大高压控制，电流低马达铜损小附：马达控制和控制PWM（Pulse Width modulation控制方式：该控制方式的马达包括跟控制线（对驱动内至马达）, 高压直流马达控制方式。m, Vcc, Vsp, FG, GND. 通过调节sp的电压大小来改变马达内部驱动的Duty来控制马达转速。PAM(Pulse Amplitude modulation)控制方式：该控制方式的马达包括根控制线（对驱动内至马达），低压直流马达控制方式。m, Vcc, FG, GND.通过在马达外部调节m的电压大小来改变马达的转速。附：马达控制：部分马达具有控制可调节功能，通过调节电压的大小来改变马达内部的驱动进角。电压调节范围是。在马达的控制基板上，通过两个电阻分压产生。也可由马达外部提供该电压。通过调节马达进角值，取得一个最适的进角量，来满足最大转速和最佳功率。同时，该进角的大小受马达卷线，定子种类等因数影响。例：正弦波的进角是-度，分为个step做进角调节。附5： DC 马达 Hitachi Power IC Charge Pump Circuit C+, C-, CL terminal for charge pump circuit:These are terminals for a charge pump circuit. Generally, 3-phase bridge circuitshave totem pole structure which has a n-channel MOSFET for the output device.Therefore, higher voltage than VS is needed to drive top arms. In this IC, anotherpower supply is not needed because it has a charge pump circuit which producesvoltage for driving top arms.C+ terminal is a terminal where the driving voltage for top arms is supplied. Thesupplied voltage is about (VS+Vcc).C- terminal has a connection to VS1,2 terminal inside the IC.CL terminal works for pumping up the voltage from Vcc terminal to the capacitorwhich is connected to C+ terminal. The voltage at this terminal can be changedfrom 0V to VS.The charge pump circuit is operated by the clock inside the IC. Looking at belowschematiccircuit diagram.when CL is 0V, this circuit charges C1 capacitor, while the charge comes from Vccvia D1. Next, the voltage of CL terminal goes up to VS and the charge which C1capacitor had is pumped up to C2 capacitor via D2. By repeating this operationwith a frequency which is set up in the triangular wave circuit, the voltage fordriving top arms is supplied at C+ terminal.Diodes D1, D2 should be connected to these terminals.(Ref. Fig. 1) When usingdiodes with axial leads, it is recommended to use high speed diodes, like Hitachidiode DFG1C6(600V, 1A, 100ns). High voltage diodes are needed because CL ischanged from 0V to VS.Capacitors C1, C2 should be connected to these terminals. Top armIGBTs are driven by the voltage which is charged in these capacitors. It isrecommended that the capacity of the capacitors should be 0.5mF20%for ECN3021,1.0mF20% for ECN3022. When other capacitors are used for them, thevoltage(VCP) between C+ and C- should not be under 10V. The stress voltage in thecapacitors exceeds Vcc because of the circuit operation. 附6：DC 马达上电顺序说明The current capability of output IGBT is the most important at a power supply sequence. As for IGBT, a fall of gate voltage (VCC voltage) reduces current capability. It becomes impossible to pass the current more than the saturation current of IGBT. In this state, it becomes generating loss of IGBT by multiplication output voltage and current, it becomes very big loss, and IGBT generates heat within an instant. Thereby, IGBT causes thermal destruction. Recommended sequences are the conditions which have IC used for the bottom of which situation satisfactory. However, when a recommended sequence can not be satisfied, a point is extracted from the above-mentioned view and the validity of a sequence is taken into consideration. That is, it is output current does not exceed the saturation current of IGBT in a power supply sequence. For example, if power supply voltage falls, a current peak will fall under same PWM frequency. It will not become a problem if it can satisfy enough that peak current is below a satu