无刷直流电机

无刷直流电机及其驱动电路,一、工作原理二、驱动电路三、发展趋势,主要内容,一、无刷直流电机的工作原理,直流电机是指输出直流电流的发电机，或者通入直流电流而产生机械运动的电动机。主磁极产生静电磁场（定子）电枢绕组转子换向器电枢绕组的首段和末端分别连到圆弧的铜片上（换相片），换向片之间相互绝缘，换向片构成的整体叫换向器。电刷。,直流电机的最简模型,直流电动机的优点：具有良好的启动性能，调速范围宽；控制线路简单，启动转矩大。直流电动机缺点：结构中带有电刷和换向器，影响了调速的精度。,普通直流电动机的电枢在转子上，而定子产生固定不动的磁场。为了使直流电动机旋转，需要通过换向器和电刷不断改变电枢绕组中电流的方向，使两个磁场的方向始终保持相互垂直，从而产生恒定的转矩驱动电动机不断旋转。,无刷直流电动机为了去掉电刷，将电枢放到定子上去，而转子制成永磁体，这样的结构正好和普通直流电动机相反。,然而，即使这样改变还不够，因为定子上的电枢通过直流电后，只能产生不变的磁场，电动机依然转不起来。为了使电动机转起来，必须使定子电枢各相绕组不断地换相通电，与转子永磁磁场始终保持左右的空间角，产生转矩推动转这样才能使定子磁场随着转子的位置在不断地变化，使定子磁场子旋转。,无刷直流电机构成框图,二、无刷直流电机驱动拓扑结构,1.半桥式,三相半桥式驱动方式下的无刷直流电机控制系统的优点是驱动元件个数少、成本低、控制简单，但其转矩波动较大、电机绕组利用率低，一个周期内每相绕组只有1/3周期通电，因而在实际应用中较少采用。,半桥式驱动电路,2.全桥式,图为三相全桥式驱动电路示意图，其常见导通方式又可分为两两导通和三三导通方式。,全桥式驱动电路,两两导通方式指每一时刻电机都有两相导通，第三相悬空，各相的导通顺序与时间由转子位置信号决定。该方式下，正常工作时，每一时刻上下桥臂都分别仅有一只功率器件导通。即使在换相时刻，也不容易导致同一桥的上、下桥臂同时导通。电机每经过一次换相，合成转矩的方向转过60电角度，一个周期内转矩要经历六次方向变换，使得转矩波动比三相半桥式驱动电路要小而缓。,2.1两两导通方式,V1V2、V2V3V5V6、V6V1,2.2三三导通方式,三三导通方式指每一瞬间逆变桥均有三只功率器件同时通电。同两两导通方式相比，也是每隔1/6周期（60电角度）换相一次，其硬件原理亦完全相同。只是功率器件的导通次序和导通时间不同，此时每只功率器件在一个周期内导通180电角度。三三导通方式可更进一步提高绕组的利用率，减少转矩波动，但是三三导通方式在换相时刻容易导致同一桥的上、下桥臂同时导通。,V1V2V3、V2V3V4V6V1V2,3.C-Dump式,在一些特定的无刷直流电机应用场合，一方面要实现较好的控制性能，另一方面又要求系统成本低、安装尺寸小等。对此，许多学者提出了一种介于半桥式控制和全桥式控制间的折中控制方法，即C-Dump式驱动电路。对于三相无刷直流电机，它只需4个开关元器件，其拓扑结构如下图所示，该结构也可实现电机的四象限运行。,C-Dump式驱动电路,C-dump变换器供电的无刷直流电动机工作时，单相导电，即变换器A、B、C三相主开关Ta、Tb、Tc轮流开通120。与全桥式驱动电路相比，C-Dump驱动电路具有较少的功率器件和较小的能量损耗，但增加了1个电感和1个电容，换相转矩波动也比全桥式大。,4.H桥式,H型功率逆变桥如图所示，其特点是每个绕组采用1个H桥独立控制，可灵活改变绕组电流的大小和方向，易于实现电机的四象限控制。,H桥式驱动电路,因为功率器件数量等于电机相数的4倍，所以H型功率逆变桥一般只在单相或两相电机控制中使用。同时，为防止同相上、下桥功率器件同时导通而造成直通短路现象，须对驱动信号进行死区延时控制，死区时间要大于功率器件的关断时间。,5.四开关式,四开关式驱动电路结构如图所示，图中四开关三相拓扑结构由两个电容代替六开关三相逆变桥的一组桥路，电机C相绕组接在串联电容的中点。这样，电路节省了两个功率器件，一定程度上降低了系统的成本，减小了由器件引起的能量损耗，但会增加控制的复杂性。,四开关式驱动电路,从图中可以看出，四开关三相逆变器用两只串联的电容器代替了六开关三相逆变器的一个桥臂，仅包含4个功率管。很显然，在这一结构中存在4种不同的开关状态组合，即(1，1)、(1，-1)、(-1，1)、(-1，-1)，其中1表示上桥臂通，-1表示下桥臂通。显然开关状态(1，1)和(-1，-1)对六开关三相逆变器来说是两种无效状态。然而在四开关三相逆变器中，由于电动机的相始终与串联电容的中点相连，所以即使在状态(1，1)和(-1，-1)下也会有电流流过电动机的绕组。由于只存在四种开关状态，当采用四开关三相逆变器驱动无刷直流电动机,并在使其在各相绕组中生成120电角度导通，60电角度关断的方波电流非常困难，并且这时所产生的四个电压矢量是非对称。,为了保证三相四开关逆变器和三相六开关逆变器具有同样的控制效果，在参照了六开关三相逆变器的基础上，对四开关三相逆变器4只功率器件的工作次序作了全新安排。使得四开关三相逆变器驱动电动机运行时具有了6种工作模式。,对照图可以看出不同工作状态下对应的电压矢量仍然是非对称的。显然这个缺点是四开关三相逆变器本身固有的缺点,需要选择合适的控制策略才能解决这个问题。,三、发展趋势,1、小型化与集成化微机电系统（MEMS）技术的发展将使电机控制系统朝控制电路和传感器高度集成化的方向发展，可使无刷直流电机控制系统更加简单而可靠。控制器与电机二者融为一体，使无刷直流电机与电子技术结合得更紧密，产品的附加值更高，整个控制系统也将朝低成本、小型化、集成化方向发展。2、控制器全数字化采用单片机或DSP等芯片来实现无刷直流电机的智能控制、间接位置检测，并替代传统的PID模拟电路、信号处理电路和逻辑判断电路等，实现控制器的接口通用化和数字化是今后的发展趋势之一，这将进一步减少系统硬件电路的体积、提高系统的可靠性和效率。,3、绿色PWM控制及其高效化低噪声和高效率是电机控制系统追求的两大目标。利用新型功率变换器、软开关控制等来降低开关损耗及其对电源的污染率、增加开关寿命、并保证系统效率不变或提高的前提下，提高驱动电路的开关频率可实现电机控制系统的绿色PWM控制。而在器件开关频率受限条件下，则采用新的调制模式也是未来研究的方向之一。4、结构新型化目前，市场上已涌现出多种新型无刷直流电机：无槽式与无铁心式电机、轴向磁场盘式电机、无刷直流力矩电机、无刷直流直线电机、无刷直流有限转角电机、低惯量无刷直流电机、无刷直流平面电机和无刷直流球形电机等。随着新型导电、导磁和绝缘材料的出现，从本体上对电机进行优化设计以提高无刷直流电机的性能，将是今后发展的一个重要方向。,5、控制先进化,无刷直流电机性能的改善可以通过电机本体优化设计及电力电子装置的控制来实现，也可利用各种先进的控制策略来完成。无刷直流电机控制系统是典型的非线性、多变量耦合系统，基于现代控制理论和智能控制理论的非线性