无刷电动机和无位置传感器的电动机综述.docx

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无刷电动机和无位置传感器的电动机综述

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，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。

电磁转矩可以认为是定子的电枢磁势和转子磁势相互作用所产生的，如果不考虑磁路的饱和和磁势的高次谐波，电磁转矩表示为T=KFaFr，其中K为常数，Fa为定子磁势，Fr为转子磁势。

然而在气隙磁场不是均匀磁场的情况下，Fa取决于电枢电流ia，Fr取决于转矩角，这两者都不是常数。

无刷直流电动机的电枢绕组具有电阻，在切割气隙磁场时会产生反电动势，这些和普通的直流电动机类似。

对于三相桥式驱动的三线Y接法，电枢中同时导电的两相绕组形成当时的电枢回路。

如果气隙磁场为正弦分布，则回路中的总反电动势为两相绕组中反电动势的向量和，则可得到电枢的回路方程为

式中U-电枢输入电压；

Ra-相绕组电阻；

ia-电枢电流；

Ea-反电动势的幅值。

由式（11.18）可求得电枢电流

由式（11.20）可绘出正弦分布气隙磁场无刷直流电动机的转矩波形如图11.10所示，可以看到转矩随转角有一定程度的脉动。

新型无刷直流电动机通过改进设计，采用如加大极靴宽度等措施使得气隙磁场分布为梯形。

结合考虑三相桥式驱动的开关顺序，可以绘出三相Y接法的无刷直流电动机各相绕组中的反电动势EA.EB和Ec，电流iA、iB和ic，转矩TA.TB和Tc的波形（见图11.11）。

从波形图我们可以注意到以下几点：

（1）反电动势取决于磁场的波形，因此为相隔120°的梯形波；

（2）各绕组导通时正处于梯形波磁场的平顶部分之下，得到的转矩为120°的方波；

（3）理论上合成转矩丁为当时导通的两相绕组转矩的代数和，得到的电动机转矩是几乎没有波动的恒定转矩。

然而实现标准的梯形波磁场是不可能的，梯形波顶不可能完全平直；此外，电枢电流在绕组间的换向也不是可以在瞬时完成的，电流波形应该近似于梯形波，因此转矩的波动总是有的，特别是在换相的时刻会出现转矩的明显波动。

　无刷直流电动机的动态特性与普通直流电动机在本质上相同，此处不再详细推导。

基于MC33033的驱动装置

无刷直流电动机和普通直流电动机的重大区别是其多相电枢绕组安装在定子上，而转子则是由永磁材料制作。

电动机的运行必须有转子位置检测器和电子开关的配合来取代电刷和换向器。

这种电动机由直流供电，其外特性具有直流电动机的性能，因此仍然归属于直流电动机。

为了无刷直流电动机的正常运行，需要采用电子技术解决转子位置检测，正确的绕组驱动信号的提供，以及调速运行时驱动电压调节等功能。

在现代电子技术的支持下，上述功能已经可以集成化为专用芯片（ASIC），这样的芯片有MC33033、MC33035等。

下面结合MC33033进一步介绍无刷直流电动机驱动装置的一些细节。

MC33033是由ONSemiconductor生产的系列高性能单片直流无刷电动机控制器中的一种，具备实现一个开环的三相或四相电动机控制系统所需的全部功能，其中有转子位置编码、温度补偿的传感器电源、频率可编程的锯齿波振荡器、可访问误差放大器、脉宽调制比较器等，还配备有适合于驱动MOSFET的三个集电极开路上桥驱动和三个高电流推挽下桥驱动。

其保护功能有欠压闭锁、电流限制和过热停机等。

其应用涉及开环速度控制、开停控制和正反转控制等。

MC33033的内部功能结构与工作原理如图11.12所示，各部分功能可概述如下。

无刷直流电动机能够运行的关键是必须首先了解转子的位置，然后根据转子的位置信息来决定驱动器中的开关切换并实现电枢绕组的换相。

因此转子位置检测是无刷直流电动机设计中不可缺少的组成部分。

执行这种功能的一般是利用光学或霍尔传感器检测转子的位置的换向编码器。

目前在无刷直流电动机中应用最多的是霍尔传感器。

以三相电动机为例，三个霍尔传感器一般安装在对应定子磁极的中心位置，这三个传感器在电动机内圆上的位置则有电气相位差为60°、120°、240°和300°的4种惯例。

芯片的三个传感器输入SA，SB和Sc能直接与集电极开路的霍尔效应开关或光电耦合器接口，内部的上拉电阻可减少外部元件数。

4种惯例所产生的信号如图11.13所示，它们都是高低电平各占180度的TTL电平信号。

对于6步电动机来说，电角度每变化60度就必须产生一个信号的变动，因此在一个周期内，三个传感器信号的电平组成6个有效的三位代码（另有2个无效代码一般不会出现）。

MC33033有一个输入引脚60°/120°用以选择传感器的相位差。

另有一个FWR/REW（Forward/Reward）输入信号选择正反转。

在这5路信号的支持下，芯片内的解码器根据6个代码就可以确定转子的位置，并向驱动电路发出正确的换相信号。

对于采用240°和300°惯例的电动机，我们可以注意到它们的输入代码序列分别与120°和60°的序列相反，可以通过灵活地利用FWR/REW信号来解决正确的换相问题。

MC33033内部有一个锯齿波振荡器，参见图11.12，电容CT由内部基准电源通过电阻RT充电，充到一定电平时即通过一个内部的晶体管放电，从而形成锯齿波。

锯齿波的峰值和谷值分别约为4.1V和1.5V，而其频率则是由CT和RT的值所确定的。

锯齿波一方面为PWM电路提供频率基准，另一方面通过与偏差放大器的输出相比较而形成PWM信号。

PWM是在供电直流电压为恒定值的条件下，通过改变平均电压调节电动机转速的有效手段。

MC33033中提供了一个其输入输出均可引出片外的完全补偿的偏差放大器，可用于实现速度闭环控制，其直流电压增益可达80dB，带宽为0.6MHz，且可达到满幅放大。

在图11.12中MC33033配置为一个开环调速系统，该放大器作为调速电位器的跟随器。

而在闭环系统中，该运算放大器则作为偏差放大器，对给定转速和实际转速之间的误差进行放大，控制PWM波形的脉宽，从而实现转速的闭环调节。

MC33033通过控制功率电路来驱动电动机，上桥驱动级是可吸收50mA电流，耐压30V的3个集电极开路晶体管，分别通过引脚AT、BT和CT输出，很容易实现与高压电源电路的接口。

3个推挽式下桥驱动输出的引脚是AB、BB和CB，特别适合于驱动N沟道MOSFET或NPN型双极晶体管，其输出和吸收电流可达l00mA。

上述6个引脚与表11.1相对应的输出波形如图11.14所示，在图的下方注明了当时导通的开关管。

图中还可以看到PWM信号仅出现在下桥的驱动信号中。

无刷直流电动机的无传感器技术

无刷直流电动机由于其高效节能被日益广泛地应用，这种电动机的一个特点则是其绕组的换相依赖于转子位置的检测。

虽然转子的位置可以由传感器检测，但是在电动机中安装传感器并增加额外的引线在某些场合仍然使人感到不便。

在前面已经说明三相无刷直流电动机在运行中的任何时刻，三相绕组中总有一相绕组是不通电的，但是这相绕组仍然在切割转子的磁场并在绕组中产生反电动势。

基于这一事实人们发展了一种无传感器转子位置检测技术，这种技术的本质是检测三相绕组中不加电的那一相绕组中反电动势的过零点，从而得到转子的位置信息。

这种技术已日趋成熟，已经出现了支持无传感器技术的专用集成电路芯片（如Philips的TDA5145）。

关于无传感器技术，有兴趣的读者可参考有关的文献。

直流无刷电机控制

（2013-02-2715:

15:

20）

无刷电机较有刷电机相比较改变了换向的模式，采用电子换向取代了有刷的机械换向，降低了噪音，极大减少了摩擦损耗，只剩轴承上的摩擦，大大提高了电机的转速，同时消除了碳刷的电磁干扰，提高了系统的可靠性。

换向的时机根据转子的位置而定，对其检测的方法有有感的霍尔式、光电式及无感的反电动势法等。

对于三相输入的有感无刷电机其是根据霍尔传感器采集到的位置信号，改变输出的三组功率管的相序使电机旋转。

位置传感器的安装位置不同，其输出状态也不同，有120°安装和60°安装。

一般检测位置的传感器数目等于绕组的相数。

控制方式有两两导通和三三导通。

两两导通即每一时刻始终只有两个功率管导通，每管导通120°，有AB、AC、BC、BA、CA、CB六个状态，根据位置信号切换相序。

由原理可知，两两导通中不会有功率管上下直通的情况，因此在上下管切换的时候不用加死区。

三三导通也即每一时刻始终有三个功率管导通，每管导通180°，有A-BC、AB-C、B-CA、BC-A、C-AB、CA-B六个状态。

三三导通中会有上下直通情况，因此切换时要加上死区。

假设一个绕组产生的力矩为Tx,那么在两两导通的方式中，输出的力矩为3的开方倍的Tx；而在三三导通中是3倍的Tx。

为使输出的转矩最大，由绕组产生的磁场和转子的磁场需垂直，实际控制中一般在60°到120°范围内。

无位置传感器无刷直流电动机的控制

银河汽车网2006-12-22阅读：

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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TMS320LF2407ADSP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180°～300°期间流动，而在120°～180°和300°～360°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）－（VN－VC）]=0

即VA＋VB＋VC=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，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2ADC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50μs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dφ/dt，所以这实际上，也同时得到了电动机的平均转速。

4.换相干扰的滤除

换相的瞬间会产生很强的电磁干扰，这时检测电压容易产生较大的误差，又因为换相后感应电动势不会立即进入过零点，所以在换相后加一个延时，经延时后再进行电压的检测。

五、结语

本文提出基于TMS320LF2407A的无位置传感器无刷直流电动机控制的设计方案，充分利用了DSP的高速运算能力和丰富的片内外设资源，保证了控制的实时性，有效地简化了硬件设计，使系统的结构更加简洁、紧凑，具有低成本、低功耗特点，特别适合在家用电器产品中应用。

同时，也可推广到其它工业应用领域，如机床、机器人和电梯驱动等。