无刷电动机和无位置传感器的电动机讲解

1、无刷电动机前节中的永磁直流电动机用永磁体取代了定子上的励磁，但是仍然需要电刷换向器结构。电刷换向器 结构是普通直流电动机的特征和标志，它使转子上的导体在经过磁场的换向点的时候自动改变电流方向， 导致定子同一磁极下导体的电流方向不变，转子的磁场始终与定子的磁场垂直，从而获得最大的也是稳定 的转矩，保证了直流电动机优良的控制性能。电刷换向器结构也是普通直流电动机的先天性的弱点，人们一直在探讨利用现代电子技术，实现既能 取消电刷，又能达到直流电动机优良控制性能的方案。这些方案中最著名的就是交流电动机的矢量控制， 而无刷电动机也是在这个方向上发展所取得的成果。这个发展的特点是转予采用恒定磁场，而将普通

2、电动机中的电枢电路从转子转移到定子上去，这种励 磁和电枢位置的互换对两者之间的相对运动没有影响，但是却避免了电刷换向器结构。如果转子由外部直 流电源励磁，那么转子还需要电刷和滑环，还只能称为无换向器电机。如果采用永磁材料制作转子，那么 就可称之为无刷电动机。虽然感应电动机和后面将介绍的步进电动机也是无刷的，然而无刷电动机则是专指这样一些特种电动 机，这些电动机的设计目的是具备与有刷直流电动机类似的性能，但是却没有电刷换向器结构所强加的限 制。无刷电动机具有基本相同的本体结构，另一个重要的共同点是运行时需要通过检测转子的位置来确 定驱动电源的频率，因此无刷电动机在本质上属于自控变频同步电动机。无

3、刷电动机因其电枢绕组驱动电 流形状的不同而分为两种类型：一种是方波永磁同步电动机，其电枢驱动电流为方波（梯形波通常被称为 无刷直流电动机；另一种是正弦波永磁同步电动机，其电枢驱动电流为正弦波，常称为无刷同步电动机。 ）无刷直流电动机无刷直流电动机的基本原理 首先回顾一下传统的有刷直流电动机。有刷直流电动机的转子上的电枢绕组由许多单独的线圈元件组 成，一个单独的线圈元件在旋转时其输出转矩的幅度有很大的变动，实际上是按正弦规律变化的，其最大 值出现在与定子磁场垂直的位置，而在换向位置时的值为零。它们不仅连接到自己的一对换向片上，而且 还与其他的线圈相连，尽管电机的转矩主要由处于最大转矩位置的线圈元

4、件提供，但是由于处于不同位置 的其他线圈元件共同作用，最终产生的转矩波动很小。如果将这种思想移植到无刷电动机的设计中去，将许多线圈元件平均分布在定子上，然后采用电子 线路模拟电刷换向器结构的功能，其结果将是不仅控制电路非常复杂，而且每一个线圈元件都需要自己的 单独的驱动电路。这一点显然难以满足。因此为了实现无刷化，必须作出适当的折衷和妥协。图 11.6 为一个二极三相无刷直流电动机的结构。无刷电动机具有少则 2 组、多至 5 组的线圈绕组，称之为相线圈或相绕组，图 11.6 中的三相二极无 刷直流电动机的三个相绕组 A1-A2、B1-B2 和 C1-C2分别绕在相对的两个磁极上。三个绕组可按三

5、线Y 接法、四线 Y接法和三线接法连接。图 11.6 为目前主要应用的三线 Y 接法。在理想的状态下，定子和转子的两个磁场最好是保持互相垂直，这样才能产生与有刷直流电动机相近 的性能。但是无刷电动机定子相当于只有三个线圈和三个换向片的直流电动机电枢绕组，在定子的三相绕 组由直流供电的条件下，这一点显然是做不到的。无刷直流电动机中转子磁势与定子磁势之间的夹角称为转矩角。定子磁场换相电路的设计思想是使转 矩角的平均值是 90。以二极三相无刷直流电动机为例，在转子旋转一周的过程中，定子磁场按60的增量步进 6次，并且设计换相逻辑使转矩角在120 60之间变化。就是当定子磁场进入6 个位置之一的时刻，

6、转子磁场与定子磁场的初始夹角为120，并受定子磁场的吸引朝着夹角减小的方向旋转，当夹角达到 60的时候，定子磁场又向前移动一个位置，使夹角再次增加为120。在转子的一个 60旋转过程中，定子磁场保持不动。因此在无刷电动机中，定子磁场的移动有两个特点：一是这种移动是步进的而不是连续的；二是这种 步进的速度不像步进电动机取决于外部的脉冲频率，而是取决于电动机本身的转速，通过对转子位置和旋 转方向的检测来实现定子绕组的换相。所以这种电动机是自同步的，没有步进电动机和同步电动机的失步 问题。对于不同的绕组接法可采用不同的驱动电路拓扑，例如四线 Y 接法可采用三相半桥驱动，而三线 Y 和 三线接法则需要

7、采用三相全桥驱动（图 11.7 ）。下面以应用最广泛的三相全桥驱动的三线Y接法的无刷直流电动机为基础进行讨论。三相桥式驱动电路在每个时刻，只有上半桥和下半桥中各一个晶体管导通，使外部直流电源接入A1、B1 和 C1三个接线端中的两个，使得三个绕组中的两个串联接到电源上，而第三个绕组则没有通电。与有 刷直流电动机的换向对应的操作演变为无刷直流电动机绕组切换的“换相” ，其换相一共有 6 个节拍，每 个节拍代表三相绕组的一个状态，产生定子磁场旋转 60 度角。如图所示。这 6 个节拍的顺序、导通的晶 体管和绕组的接入极性如表 11.1 所示。前 3 拍的定子磁场位置如图 11.8 所示。如果在正向

8、旋转状态下各 拍的顺序是 1-2-3-4-5-6-1 的循环，那么在反转时的顺序是 6-5-4-3-2-1-6 的循环。对于三相 4 极的无刷电机，每个相由两个绕组组成，相邻的相空间错开60度角(而 2 极的是错开 120度)，旋转磁场的每步旋转 30 度，12 步旋转一周，所以，磁场才转速慢了一半，如图所示。无刷直流电动机的励磁由转子提供，而气隙磁场则是由转子磁场和定子的电枢反应共同形成。气隙磁 场的波形对电枢电流、电动势和电磁转矩的影响是不言而喻的。以往的无刷直流电动机设计都是以正弦分 布的气隙磁场为基础 ( 图 11.9(a) 。近年来随着材料的发展和设计方法的改进，新型无刷直流电动机的

9、气 隙磁场为具有足够宽度的梯形分布 ( 图 11.9(b) ，这两种情况下的转矩特性是不同的。 11.1 换向顺序与极性序号导通晶体管电源极性v+GND1AiB,2TT.A,G3t2,t6B.G4t2,t4BiA】5T,TCBC-*A-导通开关XVWXYW；UYW1 UYZUVZr xvz作用转矩T3 :T4T5TOT1T2表2三三导通时电机反转时畫锂少妙电及开关关系HuHvHwloo n1010011 011010no导通绕组AB*ABCAC-B_iLABBC-*A1 BTAC导通开关:UVZUYZ! UYWr xywXVWr xvz作用转矩T1 JTOT5T4T3T2无位置传感器无刷直流电

10、动机的控制银河汽车网 2006-12-22 阅读： 612 次一般三相无刷直流电机是在定子上安装位置传感器来检测转子相对于定子所处的位置，并根据检测到 的位置信号来决定电机换相输出。因此需要在电机上安装三个霍尔传感器来检测转子位置，不仅增加了电 机工艺的复杂性，而且增加了电机成本和电机故障率，也增加了几根位置传感线到控制器上，给电动机整 机安装带来不便。三相无位置传感器无刷直流电动机控制系统不需要在无刷直流电机上安装位置传感器， 它检测三相无刷电机的三相电机线上的反电动势， 根据此反电动势信号来通过 DSP 计算出电机转子目前相 对于定子的位置，进而决定电机换相输出，因此省去了一般无刷直流电机

11、上的三个霍尔位置传感器，从而 减少了电机成本和故障率。在本文介绍的控制系统中，采用 TMS320LF2407A DSP 芯片作为控制器。该芯片内部集成了前端采样 A/D 转换器和后端 PWM 输出硬件， 将 DSP 的高运算能力与面向电机的高效控制能力集于一体，具有电机控制方面无可比拟的优点。一、系统的控制原理1. 无位置传感器无刷直流电动机的工作原理在直流无刷电动机中 ,任何时刻三相中只有两相被激励。例如：A 相中电流在 0 120和 180300期间流动，而在 120 180和 300360期间， A 相不通电。每一相的反电动势是梯形的，有 两个稳定电压的 120区间，不通电相的反电动势可

12、以被测出，间接得到转子位置。基于转子位置，建立 三相逆变桥的功率器件的换向顺序，功率器件被每60有顺序地换向。2. 反电动势法检测转子位置原理三相无刷直流电动机在工作时，每相绕组都会产生感应电动势， 电动机每转 60就需要换相一次， 所 以在此之前被截断电流的某相绕组的感应电动势要反相，从而通过零点。直流电动机每转一转需要换相 6 次，所以三相绕组每转一转共有 6 个过零点，每相两个过零点。当得知某相的过零点的时刻后，将其延迟 30就可以得到所需要的换相信号。反电动势法检测转子位置法是利用这一原理来实现位置检测。图1 基于 DSP的无位置传感器无刷直流电动机的控制和驱动结构框图用反电动势法检测

13、转子位置的关键是找出过零点时刻。在图1 中，依据基尔霍夫的回路电压定律可以得到以下结果：任何时刻电动机三相绕组之间电压矢量和为0，即 VAB+VCA+VBC=0 。即 （VAN VNB） （VCN VNA） （VBN VNC）=0即 （VA-VN） （VN VB） （VC VN） （VN VA） （VB VN）（VNVC）=0即 VAVBVC=3VN （1）即任何时刻电动机三相绕组的端点电位之和等于 3 倍中性点的电位。对于截断电流的某一相X ，电流为 0，截断电流前的端点电位为 VX ，根据反电动势的定义，该相的反电动势EX ：EX= K（VX VN） （2）K 为常数，其大小取决于电动机的

14、电感量和电流的变化率。所以，可以根据 （VX VN） 得到反电动势 的过零点，然后用软件移相得到换相时刻并使逆变桥以合适的时序工作，从而保证电动机的正常运行。二、系统的硬件组成在图 1 所示的基于 TMS320LF2407A 的无刷直流电动机控制系统中，采用 TMS320LF2407A 作为控制 器，处理采集到的数据和发送控制命令，检测转子的转动位置，并根据转子的位置发出相应的控制字来改 变 PWM 信号的当前值，从而改变直流电机驱动电路中功率管的导通顺序，实现对电动机转速和转动方向 的控制。其端口 IOPC口用于按键命令， IOPE 口用于点亮相关的信号指示灯。 PWM 信号通过驱动放大后，

15、 加在开关阵列。在系统的运行过程中，驱动保护电路会检测当前系统的运行状态。如果系统中出现过流或 欠压情况，会启动 DSP控制器的电源驱动保护，实现控制系统的 DSP 芯片和驱动电路的保护。功率驱动电路采用三相全控桥式的控制方式。功率 MOSFET 管采用 IRFP054N ，并采用 IR2130 作为全控桥的驱动 电路。IR2130 芯片可同时控制六个大功率管的导通和关断顺序，通过输出HO1 ，2， 3 分别控制三相全桥驱动电路的上半桥 V1、V3 、V5 的导通关断，而 IR2130 的输出 LO1，2，3 分别控制三相全桥驱动电路的下 半桥 V2 、V4、V6 的导通关断，从而达到控制电机

16、转速和正反转的目的。IR2130 芯片内部有电流比较电路，可以进行电机比较电流的设定。设定值可以作为软件保护电路的参考值，这样可以使电路能够适用于 对不同功率的电机的控制。转子位置检测和电流检测电路转子位置检测采用反电动势检测的无传感器控制，为了计算中性点电压VN ，必须知道三个绕组端对地电压 （电位 ），这可由 TMS320LF2407 内的 ADC 来实现，电流检测采用分流电阻来实现。分流电阻安装 在功率驱动桥的下端与功放板地线之间，选定的阻值具有功放板达到允许的最大电流时，激活过流保护功 能，这些信号在模数转换之前都要通过放大电路放大一定的倍数，以覆盖整个模数转换范围。三、程序框图现给出

17、 ADC 中断子程序框图 （如图 2 所示 ）和更新比较值或换相子程序框图 （如图 3 所示 ）。图 2 ADC 中断子程序框图图3 更新比较值或换相子程序框图四、系统软件编程的关键1. 反电动势的计算每 50s对三个绕组的端电压采样一次，通过 ADC 转换成数字量，据据式 (1) 求得中性点电压 VN 。因 为 DSP 的乘法运算比除法运算快得多，在计算中性点电压是不除以3，而是保留 3 倍的中性点电压值，在用式(2)计算感应电动势时， 使用 3倍的端电压与 3 倍的中性点电压值相减， 从而得到 3 倍的感应电动势值。 因为对感应电动势的大小不感兴趣，而只对感应电动势的符号变化感兴趣，所以直

18、接用3 倍的感应电动势值来判断符号的变化，而省去除法运算，缩短运算时间，进一步提高实时处理能力。2. 电动机的启动无位置传感器无刷直流电动机在静止或低速时，反电动势为零或很小，很难通过反电动势来检测转子 的位置。因此，无位置传感器无刷直流电动机存在启动问题。在本系统中采用磁定位的方法启动无位置传 感器无刷直流电动机。启动时，对任意两相通电，使其转到与定子磁场一致的位置。通过一个延时来等待 电动机轴停止振荡。 在磁定位期间， 不对速度进行调节， 不对延迟时间进行估算， 其他操作与正常时一样。3. 换相时刻的定位过零点与换相点间隔 30，这就是说在测得过零点后，还要延迟一时间才能换相。在程序中，延迟时 间是采用以下方法估算的：测得转子刚转过一转所用的时间T ，将 T/12 就可以得到转过 30所用的平均时间 t，用这个平均时间 t 作为一转的 6 个过零点与相应的换相点之间的延迟时间。由于速度可以表示为 d