无刷直流电动机控制系统分析毕业论文.doc

无刷直流电动机控制系统分析毕业论文目 录1 绪论11.1无刷直流电动机发展11.2无刷直流电动机国内外研究现状21.3无刷直流电动机的应用31.3.1在汽车中的应用31.3.2在电动自动车中的应用41.3.3在电起动摩托车中的应用41.3.4在家用电器中的应用51.3.5在工业自动化设备领域的应用51.3.6在精密电子设备和器械中的应用51.3.7其它领域的应用61.4无刷直流电动机的特点62 无刷直流电动机系统82.1无刷直流电动机的组成82.2无刷直流电动机的基本工作原理112.3无刷直流电动机的数学模型132.3.1电压方程142.3.2反电动势152.3.3转矩方程152.4无刷直流电动机的运行特性162.4.1机械特性162.4.2调节特性172.4.3工作特性173 无刷直流电动机主电路的工作方式193.1星形连接三相半桥式主电路193.2星形连接三相桥式主电路203.3角形连接三相桥式主电路234 无刷直流电动机转子位置信号检测254.1转子位置传感器254.1.1电磁式位置传感器254.1.2磁敏式位置传感器264.1.3光电式位置传感器274.2无位置传感器检测294.2.1常用的无位置传感器位置检测方法294.2.2反电动势过零检测法304.2.3定子三次谐波检测法345 无刷直流电动机的控制原理及其控制方法395.1直流调速系统395.1.1单闭环直流调速395.1.2双闭环直流调速405.2数字控制系统中PID控制算法的实现415.3 PWM调制方式445.4正反转运行控制PWM485.5无刷直流电动机的控制方法515.5.1带位置传感器的无刷直流电动机控制515.5.2无位置传感器的无刷直流电动机控制525.5.3智能控制536 结论56参考文献57翻译部分58英文原文58中文译文70致谢81 第 86 页 1 绪论众所周至，交流同步电机具有良好的运行性能，但其启动性能差；交流感应电动机具有结构简单、运行可靠的特点，变量其调节性能差；直流电动机因其具有良好的调节性能和启动性能而被产业界广泛的应用。但是，对于有刷直流电动机而言，由于存在电刷/换向器的机械接触机构，导致造价高，并产生了换向火花、电磁干扰、寿命短和可靠必等问题，从而又限止了它的使用范围。1.1无刷直流电动机发展一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活之中。电动机主要类型有同步电动机、异步电动机与直流电动机三种，其容量小到几瓦，大至上万千瓦。直流电动机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，但传统的直流电动机均采用电刷，以机械方式方法进行换向，因而存在机械磨擦，由此带有噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而大大地限制了它的应用范围，致使目前工农业生产上，大多数均采用三机异步电动机。随着社会生产力的发展，人们生活水平的提高，需要不断地开发各种新型电动机。科学技术的进步，新技术新材料的不断涌现，更促进了电动机产品的不断推陈出新。针对上述传统直流电动机的弊病，早在20世纪30年代，就有人开始研制以电子换向来代替电刷机械换向的直流无刷电动机，并取得了一定成果。但由于当时大功率电力电子器件仅处于初级发展阶段，没能找到理想的电子换向的元器件。使得这种电动机只能停留在实验室研究阶段，而无法推广使用。1955年，美国D哈利森等人首次申请了应用晶体管换向代替电动机机械换向器换向的专利，这就是现代直流无刷电动机的雏形。但由于该电动机尚无起动转矩而不能产品化。而后又经过人们多年努力，借助于霍尔元件来实现换向的直流无刷电动机终于在1962年问世，从而开创了直流无刷电动机产品化的新纪元。1970年以来，随着电力半导体工业的飞速发展，许多新型的全控型半导体功率器件（如GTR、MOSFET、IGBT等）相继问世，加之高磁永磁材料（如SmCo、NdFeB等）陆续出现，这些均为无刷直流电动机广泛应用奠定了坚实的基础，无刷直流电动机系统因而得到了迅速的发展。在1978年汉诺威贸易博览会上，前联邦德国的MANNESMANN公司正式推出了MAC无刷直流电机及其驱动器，引起了世界各国的关注，随即在国际上掀起了研制和生产无刷直流系统的热潮，这也标志着无刷直流电机走向实用阶段。随着人们对无刷直流电动机特征了解的日益深人，无刷直流电动机的理论也逐渐得到了完善。1986年，H.R.Bolton对无刷直流电动机作了全面系统的总结，指出了无刷直流电动机的研究领域，成为无刷直流电机的经典文献，随着无刷直流电动机的理论走向成熟。1.2无刷直流电动机国内外研究现状我国对无刷直流电动机的研究起步较晚。1987年，在北京举办的联邦德国金属加工设备展览会上，SIEMENS和BOSCH两公司展出了永磁同步伺服系统和驱动器，引起了国内有关学者的广泛注意，自此国内掀起了研制开发和技术引进的热潮。经过多年的努力，目前，国内已有无刷直流电动机的系列产品，形成了一定的生产规模。对于正弦波的永磁同步电动机系统，国内目前还没有系列产品生产厂家。国际上对无刷电动机进行了深入的研究，先后研制成功方波无刷电动机和正弦波直流无刷电动机(Permanent Magnet Synchronous Motor，简称PMSM)。正弦波型永磁无刷直流电动机的反电势波形和供电电流波形均为正弦波，其控制需要较为精密的转子位置信号。位置传感器机构较为复杂，成本较高，但其动作方法灵活，转矩波动小，一般用于伺服控制系。从机械特性、过载能力、可控性、效率、成本、维护等方面对交流异步电动机、有刷直流电动机和无刷直流电动机作了定性比较，结果表明，无刷直流电动机和其它电动机相比具有高可靠性、高效率和优良的调速性能等诸多优越性，并且随着新型稀土磁材料性能的提高和价格的下降，这种优越性将更加明显。现阶段，虽然各种交流电动机和直流电动机在传动应用中占主导地位，但无刷直流电动机正受到普遍关注。自20世纪90年代以来，随着人们生活水平的提高和现代生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都越来越趋向于高效率化、小型化及高智能化，作为执行元件的重要组成部分，电机必须具有精度高、速度快、效率高等特点，无刷直流电动机的应用也因此而迅速增长。尤其在节能已成为时代主题的今天，无刷直流电动机高效率的特点更显示了巨大的应用价值。无刷直流电机转子采用了永久磁铁，其产生的气隙磁通保持为常值，因而特别适用于恒转矩运行；对于恒功率运行，无刷直流电动机虽然不能直接改变磁通实现弱磁控制，但通过控制方法的改变也可以获得弱磁控制的效果。由于稀土永磁材料的矫顽力高，剩磁大，可产生很大的气隙磁通，这样可以大大缩小转子半径，减小转子的转动惯量，因而在要求有良好的静态特性和高动态响应的伺服驱动系统中，如：数控机床、机器人等应用中，无刷直流电动机比交流伺服电机和直流伺服电机更多的优越性。目前无刷直流电机的应用范围已遍及国民经济的各个领域，并日趋广泛。在先进工业国家里，工业自动化领域中的有刷直流电动机大部分已经逐步被淘汰。现在从国外进口的设备中，已经很少看到以有刷直流电动机作为执行电动机的系统，一些国家（如美国、英国、日本、德国等）的相关公司已经不再生产驱动用的有刷直流电动机。无刷直流电动机已在航空航天、工业自动化设备、办公自动化设备、电动车、医疗器械和计算机外围设备等方面获得了广泛应用。与此同时无刷直流电动机的应用也深入到了民用领域，其数量和品种都以相当快的速度发展。国外在高档的风扇中采用了无刷直流电动机，在新一代的空调、洗衣机、电冰箱、吸尘器等家用电器中，也大量采用无刷直流电动机来驱动，相比普通空调综合节电效果可达30%-40%。由于无刷直流电动机所具有的优点和特点，从工业领域到家电、信息产品等消费品领域，无刷直流电动机正得到越来越广泛的应用，并具有十分巨大的发展潜力，然而由于无刷直流电动机是近年来随着微处理器技术、新型电力电子器件的发展，以及低成本高磁能的永磁材料的出现而发展起来的，相对于其它类型电动机来说还是一种新型电动机，对其设计、控制方法等方面的研究仍处于不断的探索之中。因此，对无刷直流电动机本机及其控制方法进行、深入研究有着十分重要的理论和现实意义。1.3无刷直流电动机的应用11.3.1在汽车中的应用汽车上用无刷直流电动机的场合目前主要有车轮驱动、空调器压缩机、空调器鼓风机、净化器、抽气机。（1）汽车净化器用无刷直流电机。汽车净化器多采用直流无刷电动机带动离心式风叶，以排出污秽空气。电动机本体是根据电路方案来确定，常用二相桥式换相驱动电路。内定子绕组可以较方便地绕在铁心齿上。电机做成外转子式结构，定子和定子绕组放在转子内部。换相驱动电路采用专用集成电路（ASIC），电路简单，并有控制保护功能。（2）汽车空调用无刷直流电动机开发低压大电流型空调用无刷直流电动机可以解决原有刷直流电动机噪声大、寿命短及维护困难的缺点，提高电机运行性能。其额定电压为12伏，由于结构受到限制，给无刷直流电动机的设计增加了困难。定子为12槽结构，由于是低压大电流型，为了保护电流密度不致过高，采用双线并绕，以减小导线直径；转子为表面永磁粘贴式4极结构，永磁体选用稀土永磁材料钕铁硼，由于钕铁硼的剩磁和矫顽力都很高，充磁方向短，因此永磁体采用径向瓦片式。选用霍尔元件作为位置传感器，安装在电机盖端内表面，位置传感器磁场为轴向磁场。（3）汽车用驱动无刷直流电动机目前车辆驱动电动机类型大致可分为四类：直流电动机、交流电动机、无刷直流电动机、磁阻电动机等，进行综合评价，认为无刷直流电动机具有明显的优势。电动汽车的四个轮子分别有四个独立的轮式电动机直接驱动，采用逆变器进行电子换向，取消机械换向器和电刷，这种结构便于高速运行且在更换胎时不影响电动机本体。采用取消齿轮、直接驱动的外转子式电动机，是当今国际上车辆驱动用电动机中较为先进的方案。但是由于外转子式电动机的设计与车辆的车轮结构设计有直接紧密关系，因此，在目前国内外研制样车经费少，时间紧的情况下，许多厂家基本选用内转子式无刷直流电动机。此外，盘式永磁无刷直流电动机低速下力矩大，在电动车辆中能够直接驱动前轮或后轮，从而省去了机械变速装置。具有轴向机构紧凑、安装方便、噪声低、运行可靠和无级调速的特点。其气隙磁场为轴向，定子绕组为辐射形排列的导体组成，转子由扇形的永磁体呈N，S交替形式安装在盘式磁轭中。该电机的关键制造技术在于盘式绕组的成形技术，其工序复杂，周期长，为提高生产效率，可以将作为绝缘填充材料的环氧树脂改为热固材料，采用加热模压工艺。1.3.2在电动自动车中的应用在电动自动车上应用的无刷直流电动机通常制成盘式电动机，安装在车轮的轮毂内，轮毂有辐条与车圈连接，直接带动车轮转动。定子是由定子铁心，电枢绕组及其引出线，传感元件及其引出线，定子支架，轴的部分组成。定子铁心一般做成多对极多个槽数，以满足大力矩、低转速的要求。定子绕组的形式和多相的永磁同步电动机类似，它在实现能量转换过程中起着重要的作用。绕组相数多取三相，并采用Y型连接，三相绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件连接，即为三相半控驱动方式。另一类广泛用于电动自行车的是外转子永磁无刷直流电动机大多采用多极多槽、扁平结构。无刷直流电动机应用于电动自行车，与有刷直流电动机相比具有以下优势：（1）寿命长、免维护、可靠性高。在无刷直流电动机中，电刷和换向器磨损较快，一般工作1000小时左右就需要更换电刷。另外其减速齿轮箱的技术难度大，特别是传动齿轮的润滑问题，是目前有刷方案中比较大的难题。所以有刷电机就存在噪声大、效率低、易产生故障等问题。（2）效率高、节能。一般而言，因无刷直流电动机没有机械换向的摩擦损耗及齿轮箱的消耗，以及调速电路损耗，效率通常可高于85%，但考虑到实际设计中的最高性价比，为减少材料消耗，一般设计为76%，而有刷直流电动机的效率由于齿轮箱和超越离合器的消耗，通常在70%左右，因此无刷直流电动机的优势明显。1.3.3在电起动摩托车中的应用目前电起动摩托车上的起动电机和磁电机是2台各自独立的电机，工作转速高（600014000r/min），需经减速机构和超越离合器与发动机曲轴连接；磁电机飞轮永磁转子与发动机曲轴直接相连，起到了发电和给发动机点火系统提供点火触发信号的作用。使用2台电机，发动机结构复杂，超越离合器打滑时会严重影响摩托车的起动特性；起动电机通过电刷换向，电刷磨损严重，需要经常维护。直流无刷起动磁电机是将直流无刷起动电机和磁电机合二为一，并将电子换向技术应用于起动电机。它剩掉了减速机构和超越离合器，有效地简化了发动机结构。提高了运行可靠性，将成为今后的发展主流。1.3.4在家用电器中的应用新一代空调器、电冰箱、洗衣机、吸尘器、热水器、搅拌器、电风扇等，使用无刷直流电动机可实现多功能自动操作、定时、定温和自然调节，按软件程序工作。提升家电产品的自动化程度，效率提高20%。例如全直流交速控制的高档空调器中用了5台无刷直流电动机，其中有压缩机、贯流风机、室外风机、排气风机和加湿机，综合节电效果比普通空调器节电3040。近年来国内空调器厂家不断推出的“直流变频”空调器，就是应用了无刷直流电动机技术。这一领域市场需求潜力很大。1.3.5在工业自动化设备领域的应用如工业缝纫机用无刷直流电动机，其优点为可以实现正反转，快速启动与制动（100ms），定位精度高，过载能力大，振动低，同时实现工业缝纫机的自动返缝、自动割线和自动挑线3个自动功能。3个自动功能是通过电磁阀通断加以控制的，同时电磁阀的吸合动作有必须与针位置同步，为了实现针位同步，设计了一个针位传感器来控制，针位传感器有3个输出信号，上针位、下针位、切线电磁阀同步信号，这3个信号送到计算机8031后，就实现了3个自动化。目前我国研制成功了直径2mm无刷直流电动机，与国际同类电磁型电机相比，在总尺寸相近的条件下具有更大的力矩与效率；与静电型微电机相比，其力矩高出几个数量级；为解决微型机器人的动力源打好了基础。此外，在高档数控加工设备、工业智能机器人、自动化生产流水线、自动纺织、包装、冶金等，采用无刷直流电机可以满足机械设备的高精度、高效率、高性能的要求。一些要求精度控制速度和位置的轻工机械中大多也采用无刷直流电动机。1.3.6在精密电子设备和器械中的应用如骨科医疗器械由于手术的需要，要求其动力系统能在较宽的范围连续变速，以适应铣缝、钻孔、锯等种场合的要求。而现有骨科医疗器械用驱动电机是单相交直流串励电机及电压调节器，其缺点是噪声大；由于电刷和换相器的存在，致使手术前无法消毒，给手术的效果造成一定的影响；同时需要定时更换电刷及电机维护。而应用无刷直流电机作为驱动系统后，具有底噪声、宽范围调速、体积小、重量轻等优点。另外在计算机硬、软盘驱动、录像机鼓驱动、激光打印机、复印机、卫星上太阳能帆板驱动、仪用通风机、血液分析仪、医护监控设备等领域的应用正在逐步取代有刷电机。该类无刷直流电机尺寸小、加工精度高，属于技术密集型，其需求量巨大，目前主要有发达国家提供。1.3.7其它领域的应用无刷直流电机还广泛用于其它领域，如航空工业中美国制造驱动航天飞机升降副翼的12.6kw、9000r/min稀土永磁无刷直流电动机，效率为95%，仅重7.65kg；军事国防设备中的电传动装甲车辆和鱼雷大功率无刷直流电动机；稀土永磁无刷直流无齿电梯曳引机；稀土永磁无刷直流发电机等。1.4无刷直流电动机的特点与感应电动机相比，无刷直流电动机具有更大的功率密度，更高的效率和更好的性能，主要表现在以下几个方面；（1）由于采用高性能永磁材料，无刷直流电动机转子体积得以减小，可以具有较低的惯性、更快的响应速度。更高的转矩/惯量比。（2）由于没有转子损耗，也无需定子励磁电流分量，所以无刷电动机具有较高的效率和功率密度。对于同等容量输出，感应直流电动机需要更大功率的整流器和逆变器。（3）由于没有转子发热，无刷电动机不需要考虑转子冷却问题。（4）尽管感应电动机系统应用较为普遍和成熟，但由于其非线性本质，控制系统极为复杂。永磁同步电动机把交流电动机复杂的磁场定向控制转化位置定向控制，而无刷直流电动机则进一步将其简化为离散六状态的转子位置控制，也需要坐标变换。与永久同步电动机相比，无刷支流电动机也具有明显的优势：（1）无刷直流电动机采用方波电流供电，可以提供更高的转矩/体积比，相同条件下输出转矩大15%。（2）在电动机产生梯形波的磁场分布和梯形波的感应电动势要比产生正弦波的磁场分布和正弦变化的电动势简单，因此无刷直流电动机结构简单、制造成本低。（3）对于永磁同步电动机，由于定子电流是转子位置的正弦函数，系统需要高分辨率的位置传感器，构造复杂，价格昂贵。（4）产生方波电压和电流的变频器比产生正弦波电压和电流的变频器简单，控制也简单得多，因此无刷直流电动机控制简单、控制器成本较低。由于采用电力电子器件代替机械换相器，无刷直流电动机克服了有刷直流电动机的致命缺点。与有刷直流电动机相比，无刷直流电动机有以下特点；（1）可靠性高，寿命长。他的工作期限主要取决于轴承及其润滑系统。高性能的无刷直流电动机工作寿命可达数十万小时。而有刷直流电动机寿命一般较短，在高温环境下甚至只有几分钟。（2）不必经常进行维护和修理。（3）无电气接触火花、无线电干扰少。（4）可工作于高真空、不良介质环境。（5）可在高速下工作。专门设计的高速无刷直流电动机的工作转速可达每分钟10万转以上。（6）机械噪声低。（7）发热的绕组安放在定子上，有利于散热，便于温度控制，易得到更高的功率密度。（8）必须与一定的电子换相线路配套使用，从而使总体成本增加，从控制的角度看，有更大的使用灵活性。2 无刷直流电动机系统2.1无刷直流电动机的组成与交流电动机相比，直流电动具有运行效率高和调速性能好等优点。但传统的直流电动机采用电刷换相换向器结构，以机械方式进行换相，不可避免的存在噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，大大限制了它的应用范围，致使目前农业生产中大多采用三相感应电动机。那么，能不能保持直流电动机的优良特性，有去掉机械换向装置呢？无刷直流电动机正是在直流电动机的基础上发展起来的一种新型电机。无刷直流电动机（Brushless DC Motor，简称BLDCM）是一种典型的机电一体化产品，它是有电动机本体、位置检测器、逆变器和控制器组成的同步电动机系统或自控式变频同步电动机，如图2.1所示。位置检测器检测转子磁极的位置信号，控制器对转子位置信号进行逻辑处理并产生相应的开关信号，开关信号以一定的顺序触发逆变器中的功率开关器件，将电源功率以一定的逻辑关系分配给电动机定子各相绕组，使电动机产生持续不断的转矩。图2.1 无刷直流电动机系统的组成1电机本体无刷直流电动机最初的设计思想来自普通的有刷直流电动机，不同的是将直流电动机的定、转子位置进行了互换，其转子为永磁结构，产生气隙磁通；定子为电枢，有多相对称绕组。原直流电动机的电刷和机械换向器被逆变器和转子位置检测所代替。所以无刷直流电动机的本体实际上是一种永磁同步机。由于无刷直流电动机的电机本体为永磁电机，所以无刷直流电动机也称为永磁无刷直流电动机。定子的结构与普通同步电动机或感应电动机相同，铁心中嵌有多相对称绕组。绕组可以接成星行或三角形，并分别与逆变器中的各开关相连。三相无刷直流电动机最为常见。目前，无刷直流电动机中多采用钐钴（SmCo）和钕铁硼（NdFeB）等高娇顽力、高剩磁密度的稀土永磁，如图2.2所示。其中图（a）所示的结构是在铁心外表面粘贴径向充磁的瓦片形稀土永磁体，有时也采用矩形小条拼装成瓦片形磁极，以降低电机的制造成本；图（b）所示结构是在铁心中嵌入矩形稀土用磁体，这种结构的优点是在一个极矩下的磁通由相邻两个磁极并联提供，可以获得较大的磁通，但这种结构需要作隔磁处理或采用不绣钢轴。对于高速运行的电机图（a）和（b）所示的结构需在转子外表面套一个0.30.8 mm的非磁性紧圈，以防止离心力将永磁体甩出，同时在盐雾的恶劣环境中对永磁体起保护作用。紧圈材料通常采用不导磁的不锈钢，也可用环氧无纬玻璃丝带缚扎。图（c）所示的结构是在铁心外套上一个整体稀土永磁环，环形磁体径向充磁为多极，适用于体积和功率小的永磁无刷直流电动机，该种结构的转子制造工艺较好。图2.2 转子结构形式除了普通的内转子无刷直流电动机之外，在电动车中还常常采用外转子结构将无刷直流电动机装在轮毂之内，直接驱动电动车辆。外转子无刷直流电动机的结构转子绕组出线和位置传感器引线都从电机的轴引出。2逆变器逆变器将直流电转化成交流电向电机供电。与一般逆变器不同，它的输出频率不是独立调节的，而是受控于转子位置信号，是一个“自控式逆变器”。由于采用自控式逆变器，无刷直流电动机输入电流频率和电机转速始终保持同步，电机和逆变器不会产生振荡和失步，这也是无刷直流电动机的重要优点之一。逆变器主电路有桥式和非桥式两种，而电枢绕组既可以接成星型也可以接成角型（封闭型），因此电枢绕组与逆变器主电路的连接可以有多种不同的组合，图2.3给出了几种连接方式其中图（a）是三相半桥主电路、图（b）是星型连接三相桥式主电路、图（c）是三角形连接三相桥式主电路，为桥式主电路，电枢绕组允许双相通电，属于全控型主电路。图2.3 无刷直流电动机电枢绕组与逆变器的连接目前，无刷直流电动机的逆变器主开关一般采用IGBT或功率MOSFET等全控型器件，有些主电路已有集成功率模块（PIC）和智能功率模块 （IPM），选用这些模块可以提高系统的可靠性。2无刷直流电动机定子绕组的相数可以有不同的选择，绕组的连接方式也有星形和角形之分，而逆变器又有半桥型和全桥型两种。不同的组合会使电动机产生的性能和成本，这是每一个应用系统设计都要考虑的问题。综合以下三个指标有助于我们做出正确的选择。(1)绕组的利用率。无刷直流电动机的绕组是断续通电的，适当的提高绕组通电利用率将可以使同时通电导体数增加，使电阻下降，提高效率。从这个角度来看，三相比四相好，四相比五相好，全桥比半桥好。(2)转矩脉动。无刷直流电动机的输出转矩波动比普通直流电机大，因此希望尽量减小转矩波动。一般相数越多，转矩波动越小，全桥驱动比半桥驱动转矩的波动小。(3)电路成本。相数越多，驱动电路所使用的开关越多，成本越高，全桥驱动比半桥驱动所使用的开关管多一倍，因此成本要高。多相电动机的结构复杂，成本也高。33位置检测器位置检测器的作用是检测转子磁极相对与定子绕组的位置信号，为逆变器提供正确的换相信息。位置检测包括有位置传感器和无位置传感器检测两种方式。转子位置传感器也由定子和转子两部分组成，其转子与电机本体同轴，以跟踪电机本体转子磁极的位置；其定子固定在电机本体定子或端盖上，以检测和输出转子位置信号。转子位置传感器的种类包括磁敏式、电磁式、光电式、接近开关式、正余弦旋转变压器式以及编码器等。在无刷直流电动机系统中安装机械式位置传感器解决了电机转子位置的检测问题。但是位置传感器的存在增加了系统的成本和体积，降低了系统可靠性，限制了无刷直流电动机的应用范围，对电机的制造工艺也带来了不利的影响。因此，国内外对无刷直流电动机的无转子位置传感器运行方式给予高度重视。无机械式位置传感器转子位置检测和计算与转子位置有关的物理量间接地获得转子位置信息，主要有反电动势检测法、续流二级管工作状态检测法、定子三次谐波检测法和瞬时电压方程法等。4控制器控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，它主要完成以下功能：(1)对转子位置检测器输出的信号、PWM调制信号、正反转和停车信号进行逻辑综合、为驱动电路提供各开关管的斩波信号和选通信号，实现电机的正反转及停车控制。(2)产生PWM调制信号，使电机的电压随给定速度信号而自动变化，实现电机开环调速。(3)对电机进行速度闭环调节和电流闭环调节，使系统具有较好的动态和静态性能。(4)实现短路、过流、过电压和欠压等故障保护功能。控制器的主要形式有：分立元件加少量集成电路构成的模拟控制系统、基于专用集成电路的控制系统、数模混合控制系统和全数字控制系统。2.2无刷直流电动机的基本工作原理有刷直流电机由于电刷的换向，使得由永久磁钢产主的磁场与电枢绕组通电后产生的磁场在电机运行过程中始终保持垂直从而产生最大转矩，使电机运转。无刷直流电机的运行原理和有刷直流电机基本相同，即在一个具有恒定磁通密度分布的磁极下，保证电枢绕组中通入的电流总量恒定，以产生恒定的转矩，且转矩只与电枢电流的大小有关。无刷直流电机的运行还需依靠转子位置传感器检测出转子的位置信号，通过换相驱动电路驱动与电枢绕组连接的各功率开关管的导通与关断，从而控制定子绕组的通电，在定子上产生旋转磁场，拖动转子旋转。随着转子的转动，位置传感器不断地送出信号，以改变电枢的通电状态，使得在同一磁极下的导体中的电流方向不变。因此，就可产生恒定的转矩使无刷直流电机运转起来。图2.4 三相无刷直流电动机系统当转子旋转到图2.5(a)所示的位置时，转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，是使VT1、VT6导通，即A、B两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经VT1流入A相绕组，再从B相绕组流出，经VT6回到电源的负极。电枢绕组在空间产生的磁动势Fa如图15(a)所示，此时定转子磁场相互作用，使电机的转子顺时针转动。当转子在空间转过60角，到达图2.5(b)所示位置时，转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换或驱动逆变器，使VT1、VT2导通，A、C两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经VT1流入A相绕组，再从C相绕组流出，经VT2回到电源负极。电枢绕组在空间产生的磁动势Fa如图2.7(b)所示，此时定转子磁场相互作用，使电机的转子继续顺时针转动。转子在空间每转过60电角度，逆变器开关就发生一次切换，功率开关管的导通逻辑为VT1、VT6VT1、VT2 VT2、VT3VT3、VT4VT5、VT4VT5、VT6VT1、VT6。在此期间，转子始终受到顺时针方向的电磁转矩作用，沿顺时针方向连续旋转。在图2.5(a)到图2.5(b)的60电角度范围内，转子磁场沿顺时针连续旋转，而定子合成磁场在空间保持图2.5(a)中Fa的位置静止。只有当转子磁场连续旋转60电角度，到达图2.5(b)所示的Fr位置时，定子合成磁场才从图2.5(a)的Fa位置跳跃到图2.5(b)中的Fa位置。可见，定子合成磁场在空间不是连续旋转的而是一种跳跃式旋转磁场，每个步进角是60电角度。图2.5 无刷直流电动机工作原理示意图转子在空间每转过60电角度，定子绕组就进行一次换流，定子合成磁场的磁状态就是发生一次跳变。可见，电机有六种磁状态，每一种状态有两相导通，每相绕组的导通时间对应于转子旋转120电角度。我们把无刷直流电动机的这种工作方式称为两相导通星形三相六状态，这是无刷直流电动机最常见的一种工作方式。由于定子合成磁势每隔1/6周期（60电角度）跳跃前进一步，在此过程中，转子磁极上的永磁磁势却是随着转子连续旋转的，这两个磁势之间平均速度相等，保持“同步”，但是瞬时速度却是有差别的，二者之间的相对位置是时刻有变化的，所以，它们相互作用下所产生的转矩除了平均转矩外，还有脉动分量。2.3无刷直流电动机的数学模型分析时对理想的永磁无刷直流电动机作如下假设:三相绕相完全对称，气隙磁场为方波，定子电流、转子磁场分布皆对称。忽略齿槽、换相过程和电枢反应等的影响。电枢绕组在定子内表面均匀连续分布。定子电流为三相对称120(电角度)的矩形波，定子绕组为60相宽的集中整矩绕组。在理想情况下，由方波气隙磁通与矩形波定子电流相互作用，三相合成产生恒定的电磁转矩，不会产生转矩纹波。或者说，由于供电电流为矩形波，为了减少转矩纹波，永磁直流无刷电动机的气隙磁密波形也应该是方波分布。2.3.1电压方程由电机电压平衡方程 （2.1）式中，U表示每相电压，R表示每相电阻，i表示每相运行电流，L表示每相运行电感，E表示每相反电动势。则三相无刷直流电动机的运行的电压方程为： （2.2） （2.3） （2.4）其中， ua、ub、uc为外加的A相、B相、C相相电压， ia、ib、ic、是A相、B相、C相相电流，L为每相电感的自感， Mab、Mbc、Mca、为每两相间的互感， ea、eb、ec为A相、B相、C相每相的反电动势。ra相、rb相、rc相相电阻。由于是三相六状态每次导通两相，且为Y形连接方式，没有中心线，另外 （2.5）其中，ia、ib、ic是A相、B相、C相相电流。把式（2.5）代入式（2.2），（2.3），（2.4）中，且Mab = Mbc = Mca，方程可化为： （2.6）其中， ua、ub、uc为外加的A相、B相C相相电压：ia、ib、ic、是A相、B相、C相相电流：ea、eb、ec为A相、B相、C相每相的反电势4根据式（2.6）可得到以下等效电路图2.6所示：图2.6 无刷直流等效电路图2.3.2反电动势无刷直流电动机气隙主磁通密度B的部分波形如图2.7(a)所示，当转子旋转速度为恒值时，定子每相转子反电动势波形与磁通密度分布波形应该一致，为了简化分析，可将它近似为梯形波。为了减小转矩脉动，反电动势波形的平顶宽度应大于等于120电角度。通常把每相反电动势看成平顶宽度为120电角度的梯形波，如图2.7(b)所示。三相绕组的反电动势依次相差120电角度。设电枢绕组导体的有效长度为La，导体的线速度为v，则单根导体在气隙磁场中感应的电动势为：（V） （2.7）（m/s） （2.8）式中 D电枢直径 P电机的极对数 R极矩N电机的转速，单位为r/min图2.7 无刷直流电动机气隙磁密及反电动势波形如果电枢绕组每相串联匝数为W，则每相绕组的感应电动势幅值为： （V） （2.9）式中每相极磁通量，单位为Wb，相电动势常数，计算极弧系数。2.3.3转矩方程5电磁功率为：（2.10）电磁转矩为： （2.11）其中，为电角速度。当电动机工作在两两导通方式时，电磁转矩有两相绕组的合成磁极与转子磁场相互作用可得： （2.12）式中，电枢电流转矩系数2.4无刷直流电动机的运行特性2.4.1机械特性由式（2.13）可以得到无刷直流电动机的机械特性为：（2.13）可见无刷直流电动机的机械特性与一般的直流电动机的机械特性表达式相同，机械特性较硬。在不同的供电电压驱动下，可以得到如图2.8的机械特性曲线簇nn01n02n03n040US4US3US2US1US4US3US2US1Tst4Tst3Tst2Tst1Te图2.8机械特性曲线当转矩较大、转速较低时，流过开关管和电枢绕组的电流很大，这时管压降随着电流增大而增加较快，使加在电枢绕组上的电压有所减小，因而图2.8所示的机械特性曲线会偏离直线，向下弯曲。空载转速可由式（2.14）求出，而堵转转矩则为：（NM） （2.14）式中堵转电流。2.4.2调节特性无刷直流电动机的调节特性如图2.9所示，可以得到调节特性的始动电压和斜率分别为： （2.15） （2.16）n0Te4Te3Te2Te1U04U03U02U01Te1Te2Te3Te4US图2.9调节特性 n=f(Us) Te=C从机械特性和调节特性可以看出，无刷直流电动机与一般直流电动机一样，具有良好的调速控制性能，可以通过调节电源电压实现无级调速。但不能通过调节励磁调速，因为永磁体的励磁磁场不可调。2.4.3工作特性电枢电流与输出转矩的关系、效率与输出转矩的关系如图2.10所示。图2.11还给出了仪态电冰箱压缩机用120W无刷直流电动机的效率曲线，比现有的感应电机的效率高20%左右，而且它在很宽的负载范围内能保持高效率运行。效率高、损耗低是无刷直流电动机的重要优点之一。， Ia0IaTe图2.10工作特性30908070605040（）050100150200P2(W)：实验值：设计值图2.11120W样机效率特性3 无刷直流电动机主电路的工作方式目前，无刷直流电动机的电机本体大多采用三相对称绕组，由于三相绕组既可以是星形连接，也可以是角形连接，同时功率逆变器又有桥式和非桥式两种。因此，无刷直流电动机的主电路主要有星形连接三相半桥式、星形连接三相桥式和角形连接三相桥式三种形式。3.1星形连接三相半桥式主电路常见的三相半桥主电路如图3.1所示，图中，A、B、C三相绕组分别与三只功率开关管VT1、VT2、VT3串联，来自位置检测器的信号H1、H2、H3控制三只开关管的通断。在三相主半桥电路中，位置信号有1/3周期为高电平、2/3周期为低电平，各传感器之间的相位差也是1/3周期，如图3.2所示。图3.1三相半桥主电路H2H31200t240360480H11200t2403604801200t240360480图3.2三相半桥主电路中位置传感器信号当转子磁极转过图3.3（a）所示的位置时，H1为高电平，H2、H3为低电平，使功率开关VT1导通，A相绕组通电，该绕组电流同转子磁极作用后所产生的转矩使转子沿顺时针方向转动。当转子磁极转到图3.3（b）所示的位置时，H2为高电平，H1、H3为低电平，使功率开关VT2导通，A相绕组断电，B相绕组通电，电磁转矩仍使转子沿顺时针方向转动。当转子磁极转到图3.3（c）所示的位置时，H3为高电平，H1、H2为低电平，使功率开关VT3导通，B相绕组断电，C相绕组通电，转子继续沿顺时针方向旋转，而后重新回到图3.3（a）所示的位置。图3.3电枢绕组通电与转子磁极的相对位置这样，定子绕组在位置检测器的控制下，便一相一相地依次馈电，实现了各相绕组电流的换相。在换相过程中，定子各相绕组在气隙中所形成的旋转磁场是跳跃式的，其旋转磁场在360电角度范围内有三种磁状态，每种磁状态持续120电角度。我们把这种工作方式叫做单相导通星形三相三状态。三相半桥主电路虽然结构简单，但电机本体的利用律很低，每相绕组只通电1/3周期2/3周期处于关断状态，绕组没有得到充分利用，在整个运行过程中转矩脉动也比较大。3.2星形连接三相桥式主电路图3.4所示是一种星形连接三相桥式主电路。图中，上桥臂三个开关管VT1、VT3、VT5是P沟道功率MOSFET，栅极电位低电平时导通；下桥臂三开关管VT4、VT6、VT2是N沟道功率MOSFET，栅极电位高电平时导通。这种逆变器电路利用P沟道MOSFET和N沟道MOSERT导通规律的互补性，简化了功率开关管的驱动电路。位置检测的三个输出信号通过逻辑电路控制这些开关管的导通和截止，其控制方式有两种：二二导通方式和三三导通方式。1二二导通方式二二导通方式是指在任一瞬间使两个开关管同时导通。这种工作方式就是两相导通星形三相六状态方式，下面根据反电动势和电磁转矩的概念来分析其导通规律及特点。图3.4星形连接三相桥式主电路电机的瞬时电磁转矩可由电枢绕组的电磁功率求得： （3.1）式中、A、B、C三相绕组的反电动势。、A、B、C三相绕组的电流。转子的机械角速度。可见，电磁转矩取决于反电动势的大小。在一定的转速下，如果电流一定，反电动势越大，转矩就越大。tVT40 30 90 150 210 270 330 390 450 510 570 630 690tttVT1VT1VT4VT3VT6VT1VT6VT6VT2VT5VT2VT5图3.5三相绕组的反电动势波形及其二二导通方式下的导通规律图3.5给出了无刷直流电动机三相绕组的反电动势波形及其二二导通方式下的开关管导通规律。为了使电机获得最大转矩，在二二导通方式下，开关管的导通顺序应为：VT1、VT2VT2、VT3VT3、VT4VT4、VT5VT5、VT6VT6、VT1。在这种工作方式下，每个电周期共有六种导通状态，每隔60电角度工作状态改变一次，每个开关管导通120电角度。由此可见，如果忽略换相过程的影响，当梯形波反电动势的平顶宽度大于等于120电角度时，电机的转矩脉动为0。因此，无刷直流电动机在设计时，应尽量增大磁极的极弧系数，以获得足够宽的磁密分布波形，从而得到平顶部分较宽的反电动势波形。同时，如果假定电流为平顶波，电机工作在两相导通星形三相六状态方式时，总的电磁转矩是每相电磁转矩的两倍。如果假定气隙磁密在空间呈正弦分布，容易根据相量图得出此时合成电磁转矩是每相电磁转矩的倍的结论。必须指出，这个结论对于无刷直流电动机来说并不准确，但可用于逆变器工作方式的定性分析。2三三导通方式三三导通方式是在任一瞬间使三个开关管同时导通，各开关管导通顺序为：VT1、VT2、VT3VT2、VT3、VT4VT3、VT4、VT5VT4、VT5、VT6VT5、VT6、VT1VT6、VT1、VT2，如图3.6所示。由此可见，三三导通方式也有六种导通状态，同时也是每隔60改变一次导通状态，每改变一次工作状态换相一次，但是每个开关管导通180，导通时间增加了。t0 60120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720tttVT1VT4VT1VT4VT3VT6VT3VT6VT6VT2VT5VT2VT5图3.6三相绕组的反电动势波形及其三三导通方式下的导通规律当VT1、VT2、VT3导通是，电流的路线为：电源VT1、VT3A相绕组和B相绕组C相绕组VT2地。其中A相B相相当与并联。如果假定C相绕组的电流为I，则A、B相绕组的电流分别为I/2 ，可以求得电枢绕组产生的总的电磁转矩约为每单相转矩的两倍。在三三导通方式下，各相绕组不是在反电动势波的平顶部分换相，而是在反电动势的过零点换相。因此，在电枢电流和转速相同的情况下，三三导通方式下平均电磁转矩比二二导通方式下要小，同时瞬时电磁转矩还存在脉动。如果假定气隙磁密在空间呈正弦分布，则合成电磁转矩是单相电磁转矩的1.5倍。比较两种通电方式可见：在二二通电方式下，每个管子均有60的电角度的不导通时间，不可能发生直通短路故障。而在三三通电方式下，因每个管子导通时间为180电角度，一个管子的导通和关断稍有延迟，就会发生直通短路，导致开关器件损坏。并且，两相导通三相六状态工作方式很好地利用了方波气隙磁场的平顶部分，是电机出力大，转矩平稳性好。所以两相导通三相六状态工作方式最为常见。3.3角形连接三相桥式主电路图3.7所示的角形连接三相桥式主电路的开关管也采用功率MOSFET。与星形连接一样，角形连接的控制方式也有二二导通和三三导通两种。图3.7 三角形连接三相桥式主电路1二二导通方式三相角形连接二二导通方式的开关管导通顺序为：VT1、VT2VT2、VT3VT3、VT4VT4、VT5VT5、VT6VT6、VT1，如图3.8所示。tttt0 60120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720VT1VT4VT1VT4VT3VT6VT3VT6VT2VT5VT2VT5图3.8电枢绕组的反电动势波形及其角形连接二二导通方式的导通规律当VT1、VT2导通时，电流的路线为：电源VT1A相绕组、B相绕组和C相绕组VT2地。其中B相与C相串联，在与A并联。如果A相绕组中的电流为I，则B、C两相绕组中的电流约为I/2，总电磁转矩约为单相电磁转矩的两倍。但各相绕组在反电动势的过零点导通，在反电动势平顶波部分关断，瞬时电磁转矩存在脉动。如果假定气隙磁密在空间呈正弦分布，则容易得出此时合成电磁转矩约为单相电磁转矩的1.5倍。可见，角形连接二二导通方式下无刷直流电动机的工作情况与星形连接三三导通是情况相似。2三三导通方式三相角形连接三三导通方式的各开关管导通顺序为：VT1、VT2、VT3VT2、VT3、VT4VT3、VT4、VT5VT4、VT5、VT6VT5、VT6、VT1VT6、VT1、VT2，如图3.9所示。tttt0 60120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720VT1VT4VT1VT4VT3VT6VT3VT6VT2VT5VT2VT5VT6图3.9电枢绕组的反电动势波形及其角形连接三三导通方式的导通规律当VT1、VT2、VT3导通时，电流的路径为：电源VT1、VT3A相