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无刷直流电机原理 2020 3 21 1 相关理论无刷直流电机数学模型及运行特性无刷直流电机工作原理无刷直流电机控制方法 2020 3 21 2 2020 3 21 3 一 相关理论 1 左手定则判断安培力 伸开左手 使拇指与其余四个手指垂直 并且都与手掌在同一平面内 让磁感线从掌心进入 并使四指指向电流的方向 这时拇指所指的方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向 2 右手定则判断磁场方向 用右手握住通电螺线管 使四指弯曲与电流方向一致 那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的N极 2020 3 21 4 3 换相原理 2020 3 21 5 二 无刷直流电机数学模型及运行特性 假定电机定子三相完全对称 空间上互差120电角度 三相绕组电阻 电感参数完全相同 转子永磁体产生的气隙磁场为方波 三相绕组反电动势为梯形波 忽略定子绕组电枢反应的影响等 无刷直流电机数学模型如下 e为反电动势 2020 3 21 6 直流无刷电动机电磁转矩是由定子绕组中的电流与转子磁钢产生的磁场相互作用而产生的 定子绕组产生的电磁转矩表达式为 机械运动方程为 Te为电磁转矩 T为负载 J为转子转动惯量 Pn为磁极数 可以看出 直流无刷电动机的电磁转矩方程与普通的直流电机相似 其电磁转矩大小与磁通和电流的幅值成正比 所以只要控制逆变器输出方波电流的幅值即可控制直流无刷电机的转矩 2020 3 21 7 运行特性电动势平衡方程 U是电源电压 E为反电动势 I为平均电枢电流 R为绕组平均电阻 U为功率管饱和压降其中 2020 3 21 8 启动特性 电机在启动时 反电动势为0 因此电枢电流为 其值可为正常工作电流十几倍 所以启动电磁矩比较大 电机可以很快启动 并能带动负载启动 随着转子加速 反电动势E增加 电枢电流减小 转矩降低 加速度减小 最后进入正常工作状态 工作特性 无刷直流电机工作特性主要包括如下关系 电枢电流和电机效率与输出转矩之间关系 电枢电流和输出转矩的关系为电枢电流随着输出转矩的增加而增加 当输出转矩为0时 电机效率为0 随着输出转矩增加 电机效率增加 当电机的可变损耗等于不变损耗时 电机效率达到最大 随后开始下降 2020 3 21 9 机械特性 机械特性是指外加电压恒定时 电机转速与电磁转矩之间的关系 由上式可知电磁转矩随转速的减小而线性增加右图为电机在不同的供电电压驱动下的机械特性曲线 调速特性 由上式可知 在同一转速下改变电源电压 可以很容易的改变输出转矩 所以无刷直流电机具有良好的调速控制性能 可以通过调节电压实现平滑调速 2020 3 21 10 三 无刷直流电机工作原理 无刷直流电机要转动 须先根据位置传感器的输出信号确认转子位置 然后通过电子换相线路去驱动电机本体使电枢绕组依次通电 从而在定子上产生旋转的磁场 驱动永磁转子转动 直流电源 电子换相电路 电机本体 转子位置传感器 2020 3 21 11 一般无刷直流电机的具体控制框图如图所示 定子三相绕组是相差120 对称分布的 图中三相绕组是星型连接的 其中6个功率管的开关由控制电路根据转子位置来决定 因此 可以通过控制电路控制V1 V66个开关管的开关顺序 来调整电机线圈的通电顺序 以实现电机的换相操作使电机运转起来 2020 3 21 13 图为绕组星型连接的具体接线图 电机引出三根线A B C 当它们之间两两通电时 有6种情况 分别是AB AC BC BA CA 和CB 图示说明线圈通电时产生的磁感应强度的方向 短箭头表示 和两个线圈合成磁感应强度方向 长箭头表示 如图 当AB相通电 中间转子 未画出 会尽量往长箭头方向对其 当转子达到长箭头位置时 外线圈换相 改成AC相通电 这时转子会继续转动并往长箭头处对其 以后以此类推 2020 3 21 14 上图讲的是原理 实际操作的时候不会让转子与定子磁场方向对齐 而是定子主磁场方向一直超前转子磁场一定角度 这样才会使转矩较大 一般利用霍尔传感器检测位置的话 会60 换相一次 磁场跳跃60 换相后定子主磁场方向超前转子磁场120 转子会向与定子磁场方向对其的方向旋转 从相距120 到相距60 转子转动60 这样可以使产生最大转矩的垂直位置正好位于本次通电的中间时刻 然后绕组换相 定子主磁场再次向前跳跃60 这样转子又慢慢跟上来 如此往复就可实现电机连续转动 2020 3 21 15 四 无刷直流电机控制方法 1 控制方法分类通常根据直流无刷电机定子绕组与换相开关之间联结方式的不同以及换相开关结构的不同 可以把对直流无刷电机的控制分为两类 一类是半桥型控制结构 另一类是全桥型控制结构 三相电机的半桥型控制结构如图所示 电机的三相绕组直接与三只开关管相连 主电路结构简单 三相半桥电路虽然简单 但电动机本体的利用率很低 每个绕组只通电1 3周期时间 另外2 3周期处于断开状态 没有得到充分利用 在运行过程中其转矩从T 2变化到T T Ta 波动较大 而全桥型控制结构 电路相对复杂 但是对电机根据电机绕组利用率较高 提高了电机的效率 2020 3 21 16 三相绕组Y连接的全控电路 如图所示 在该电路中 电动机三相绕组为Y连接 有六只IGBT功率管 起绕组的开关作用 它们的通电方式可分为两两通电方式和三三通电方式两种 两两通电方式 所谓两两通电方式是指每一瞬间有两个功率管导通 每隔1 6周期 60 电角度 换相一次 每次换相一个功率管 每一功率管导通120 电角度 每个绕组通电240 其中一半为正向电流 一半为负向 三相全控时的转矩波动比三相半控时小得多 仅从O 87T变化到T T 1 732Ta 三三通电方式 所谓三三通电方式 是指每一瞬间均有三只功率管同时导通 每隔60 换相一次 每个功率管通电180 最大转矩为1 5Ta 2020 3 21 17 2 PWM调制斩控方法三相Y联接的直流无刷电动机通常采用三相六状态120 通电的控制方式 全桥 两两导通 PWM的斩波控制方式较为多样 每种PWM控制方式对电机的控制效果也有所不同 根据每个导通状态PWM作用管子数目的不同 把PWM调制方式分成两大类 一类是 双斩 方式 通常也称作H PWM L PWM控制方式 每个导通状态控制器上 下桥臂的功率管全部进行PWM调制 如图所示 2020 3 21 18 另一类是 单斩 方式 在三相六状态的任意一个状态区间内只对上桥臂或者是只对下桥臂的一个功率管进行PWM斩波控制 单斩方式又可以分为两大类 一类是六个导通状态始终只对上桥臂或是只对下桥臂的功率管进行PwM调制 在这种方式中有一个桥臂的功率管始终在它应该导通的区间内处于全通状态 另一类 单斩 方式是使所有的功率管在导通的区间内轮换导通 这种导通方式也有两种情况 一种是对应该导通的功率管在应该导通的区间内先让其处于导通状态 在后半个区间内处于PWM调制控制状态 这也就是所谓的ON PWM单斩控制方式 另一种情况正好相反 是先在前半个导通区间内进行PWM斩波控制 后半个区间内使其处于全通状态 即所谓的PWM ON控制方式 2020 3 21 19 双斩 方式功率管的开关损耗是 单斩 方式的两倍 降低了控制器的效率 并且不利于散热 单斩 方式中只斩上桥臂或是下桥臂的方式实现比较容易 但是会造成上下桥臂功率管的损耗不同 而六个功率管的轮换的单斩方式其开关损耗比双斩方式减少一半 且每个功率管的开关损耗相同 减少了开关应力 提高了系统的可靠性 因此实际系统中采用六只管子轮换导通的 单斩 方式控制对整个系统比较有利 2020 3 21 20 3 正反转控制直流无刷电机的正反转控制与普通的电机不同 在直流无刷电机电动运行的过程中 它的通电始终与电机的转子位置信号是分不开的 因此不能简单地通过改变定子绕组导通顺序来改变电机转向 具体的电机转向与转子位置信号以及定子绕组之间的换相关系如表所示 当位置信号的上升沿产生中断时 系统进入中断服务子程序 通过将脉冲捕捉单元的脉冲捕捉口CAPl CAP3设置成普通的I O口 并且检测这三个口的电平状态 就可以确定是电机的哪个位置传感器的电平发生变化 从而确定出电机转子磁极现在所处的位置 然后按照电机正转的相序查找数据表来确定电机换相的顺序以及比较单元的