【无刷直流电机工作原理分析2400字】

无刷直流电机工作原理分析综述根结合据前文对无刷直流电机介绍可知，方波型无刷直流电机电枢绕组一般采用三相星型接法，对于使用三相对称绕组的无刷直流电机，常使用三相全桥驱动电路做为电子换相线路，如图2-2所示，T1，T2，T3，T4，T5，T6为功率器件，D1，D2，D3，D4，D5，D6为续流二极管制，控制器根据霍尔位置信号，控制T1，T2，T3，T4，T5，T6导通和关断，实现无刷直流电机的换相。无刷直流电机三相逆变桥驱动方式中，最常用导通方式为两两导通方式。所谓两两导通也叫二二导通，是指每一瞬间有两个功率管导通，每间隔1/6个周期（即是60°电角度）换相一次，每次换相一个功率管导通120°电角度。在这种驱动方式中，三相全桥逆变器中6个开关管每一时刻只有两个开关管导通，要求逆变器的上桥臂和下桥臂只能有一个开关管导通，且同一桥臂上下两个开关管不能同时导通。逆变桥每隔1/6周期进行一次换流，导通的两个开关管中，一个继续保持导通，另外一个开关管发生切换。整个过程中每一状态都是两相导通，每个开关管导通120°电角度。各功率管导通顺序为T1-T2，T2-T3，T3-T4，T4-T5，T5-T6，T6-T1…。当功率管T1与T2导通时，电流从T1管流入A相绕组，再从C相绕组流出，经过T2管回到电源。如果以流入绕组的电流所产生的转矩为正的话，那么从绕组流出所产生的转矩则为负，它们的合成转矩为如图2-5a所示，其大小为Ta，方向在Ta与Te的角平分线上。当电机转过60°后，通电方式由T1-T2变换成T2-T3通电，此时，电流从T3流入B相绕组再从C相流出，经过T2回到电源，此时合成的转矩如图2-5b所示，其大小同样为Ta。但是合成转矩Tbc的方向转过了60°电角度。而后每变换一次导通方式，合成转矩的矢量方向就会随着变换60°电角度，但大小始终保持为Ta不变。 （a） （b） 图2-5合成转矩向量图结合图2-2、2-5分析无刷直流电动机运行状态可知：当运行在图2-6a，依据转子位置信号，驱动逆变器使功率开关管T1、T6导通（见图2-2，A进B出，绕组A、B通电，电枢电流在空间形成磁势，见图2-6a。此时定、转子磁场相互作用拖动转子顺时针方向转动。电流通路：电源正极→VT1管→A相绕组→B相绕组→T6管→电源负极。当转子转过60°电角度，到达图2-6b位置时，位置信号也随之变化，开关管T6截止、T2导通，此时T1仍导通。绕组A、C通电，A进C出，电枢电流在空间合成磁场如图2-6b，定、转子磁场相互作用使转子继续顺时针方向转动。电流路径为：电源正极→VT1管→A相绕组→C相绕组→T2管→电源负极。以此类推，随着电机转子的连续转动，每当转子沿顺时针方向转过60°电角度时，功率管就进行一次换流，功率管的导通顺序依为：T1、T2……到T6循环，使转子磁场始终受到定子合成磁场作用而沿顺时针方向连续转动。 （a）（b）图2-6电枢电流在空间合成磁场从图2-5a、b的60°电角度范围内，转子磁场顺时针连续转动，即经过60o电角度的转子转动，实现一次换流，定子磁场改变一次。可见三相六状态控制方式下，两相导通时，不同相的上、下桥臂开关管导通形成每一个状态，存在共计六种磁状态。图2-7为无刷直流电机三相绕组定子空间扇区图[32]。图中，A1-A2、B1-B2、C1-C2分别表示三相绕组与轴线正交的位置。由图2-7可以看出，A1-A2、B1-B2、C1-C2将空间分成了六个相等的扇形区，形成了无刷直流电机三相绕组的定子空间扇区图。与图2-7中6个扇区相对应，无刷直流电机的转子位置传感器和电子换相线路也都存在6个相应状态。当电机转子的空间位置处于其中一个扇区内时，线路中的位置信号保持不变。此时开关管状态不变，绕组的导通状态不变，定子电流合成的电磁转矩亦是保持不变。当转子的空间位置从这个扇区进入下个扇区时，传感器的位置信号将发生改变，驱动开关管状态也发生改变，从而改变绕组导通状态，最终使电机的电磁合成转矩发生跳变。这样就可以保证电机转矩始终与转子能够保持一定的角度，从而驱动电机转子转动。图2-7无刷直流电机三相绕组定子空间扇区图具体的，无刷直流电机转子逆时针旋转，当转子处于1区时，定子的磁场由B1指向B2，与转子空间位置垂直，从而使电机转子能够获得足够的电磁转矩来驱动电机。此时，电流由A相绕组流向C相绕组，B相绕组中没有电流流过。与之相应的，三相逆变桥电路中开关管T1和T2呈现导通状态，T3，T4，T5，T6处于关断状态。随着无刷直流电机转子的转动，转子将会从1区进入2区。此时转子位置传感器感受到转子的状态发生了改变，输出转子位置变化后所对应的位置信号，在换相控制电路的作用下，使开关管T2和T3导通。定子磁场逆时针旋转60°电角度，仍与转子保持近于垂直的关系。依次类推，每隔六分之一个电周期，无刷直流电机转子将会从一个区间进入相邻区间，转子位置信号发生改变，并通过换相逻辑控制电路改变功率开关管状态，使定子绕组中电流实现换流，这时定子电流产生的磁场会逆时针旋转60°电角度，驱动转子继续旋转，实现了无刷直流电机的换相[33]。表2-1逆变电路开关管导通逻辑磁状态123456通电绕组A、CB、CB、AC、AC、BA、B开关管导通T1T2T2T3T3T4T4T5T5T6T6T1通过以上的分析可知，当电机逆时针旋转时，为了产生与之相对应的逆时针旋转的磁场，电机三相定子绕组导通情况依次为：A-C，B-C，B-A，C-A，C-B，A-B其中。此时控制电路开关管导通顺序为T1T2，T2T3，T3T4，T4T5T5T6。开关管导通顺序与定子绕组通电顺序的关系如表2-1所示。图2-8无刷直流电机相电流、相反电动势与位置信号关系根据霍尔传感器的位置检测原理，每个霍尔元件都安装在各三相绕组的基准点上时，它所检测的位置信息（HaHbHc）则与定子位置扇区中的6个扇区相互对应。根据表2-1，可以得到无刷直流电机位置信号与相电流的关系。结合无刷直流电机的相反电势与相电流的对应关系，最终可以得到无刷直流电机相电流、反电势以及位置信号波形图如图2-8所示。由图可知，无刷直