无刷直流电机.docx

无刷直流电机.docx

《无刷直流电机.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《无刷直流电机.docx（26页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

无刷直流电机

第10章无刷直流电动机

Chapter10BrushlessDCMotor

Coolingfan-brushlesselectricmotor,outsiderotor

Parameters:

PCpowersupplyfan,12V0.12A,brushless

大功率永磁无刷直流电机（发布时间：

2007-3-1715:

52:

03）

10.1概述

直流电动机主要优点是调速和起动特性好，堵转转矩大，因而被广泛应用于各种驱动装置和伺服系统中。

但是，直流电动机具有电刷和换向器，其间形成的滑动机械接触严重地影响了电机的精度、性能和可靠性，所产生的火花会引起无线电干扰，缩短电机寿命，换向器电刷装置又使直流电机结构复杂、噪音大、维护困难，因此长期以来人们都在寻求可以不用电刷和换向器装置的直流电动机。

随着电子技术的迅速发展，各种大功率电子器件的广泛采用，这种愿望已被逐步实现。

本章要介绍的无刷直流电动机利用电子开关线路和位置传感器来代替电刷和换向器，使这种电机既具有直流电动机的特性，又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点；它的转速不再受机械换向的限制，若采用高速轴承，还可以在高达每分钟几十万转的转速中运行。

因此，无刷直流电动机用途非常广泛，可作为一般直流电动机、伺服电动机和力矩电动机等使用，尤其适用于高级电子设备、机器人、航空航天技术、数控装置、医疗化工等高新技术领域。

无刷直流电动机将电子线路与电机融为一体，把先进的电子技术应用于电机领域，这将促使电机技术更新、更快的发展。

无刷直流电动机是由电动机、转子位置传感器和电子开关线路三部分组成，它的原理框图如图10-1所示。

图中直流电源通过开关线路向电动机定子绕组供电，电动机转子位置由位置传感器检测并提供信号去触发开关线路中的功率开关元件使之导通或截止，从而控制电动机的转动。

图10-1无刷直流电动机的原理框图

图3.1控制系统结构框图

永磁无刷直流电机控制系统由控制部分、驱动及逆变电路部分、转子位置检测以及电流采样电路构成其中以TMS320LF2407A为核心的控制部分负责控制运算模拟量采集等任务驱动电路将控制电路输出的弱电信号进行功率放大输出具有一定驱动能力的强电信号去控制逆变电路中的开关管工作逆变电路由功率半导体器件MOSFET搭建而成[38]按一定控制规律的信号工作实现对直流电的逆变转换供给电机达到对电机控制的目的位置检测部分检测电机转子信号并送给控制部分处理电流采样部分完成对直流电源母线电流的检测控制系统硬件框图如图3.2所示。

图3.2控制系统硬件框图

10.2无刷直流电动机的基本结构

无刷直流电动机的基本结构如图10-2所示。

图中电动机结构与永磁式同步电动机相似，转子是由永磁材料制成一定极对数的永磁体，但不带鼠笼绕组或其它起动装置，主要有两种结构型式，如图10-3（a）和（b）所示。

第一种结构是转子铁心外表面粘贴瓦片形磁钢，称为凸极式；第二种结构是磁钢插入转子铁心的沟槽中，称为内嵌式或隐极式。

图10-2无刷直流电动机的基本结构

图10-3永磁转子结构型式

定子是电动机的电枢。

定子铁心中安放着对称的多相绕组，可接成星形或封闭形（角形），各相绕组分别与电子开关线路中的相应晶体管相连接。

电子开关线路有桥式和非桥式两种。

图10-4表示常用的几种电枢绕组连接方式，其中图（a）、（b）是非桥式开关电路，其它是桥式开关电路。

图10-4电枢绕组连接方式

（a）三相星形三状态；（b）四相星形四状态；（c）三相星形六状态；

（d）两相正交四状态；（e）三相封闭六状态；（f）四相封闭四状态

位置传感器

10.2.1电磁式

这种传感器的结构如图10-5所示。

它由定子和转子两部分组成。

定子磁芯及转子上的扇形部分均由高频导磁材料（如软磁铁氧体）制成，导磁扇形片数等于电机极对数，放置在不导磁的铝合金圆盘上制成了转子。

传感器定子由磁心和线圈组成，磁心的结构特点是中间为圆柱体，安放励磁绕组，外施高频电源励磁。

圆周上沿轴向有凸出的极，极上套着信号线圈产生信号电压。

可以看出，这实际上是一个有共同励磁线圈的几个开口变压器，扇形导磁片的作用是使开口变压器铁心接近闭合，减少磁阻，使信号线圈感应出较大的电势。

电磁式位置传感器具有输出信号大、工作可靠、寿命长、使用环境要求不高、适应性强、结构简单和紧凑等优点。

但这种传感器的信噪比较低，体积较大，同时其输出波形为交流，一般需经过整流、滤波后才可使用。

图10-5电磁式位置传感器

10.2.2光电式

光电式传感器是由固定在定子上的几个光电耦合开关和固定在转子轴上的遮光盘所组成，如图10-6所示。

遮光盘上按要求开出光槽（孔），几个光电耦合开关沿着圆周均布，每只光电耦合开关是由相互对着的红外发光二极管（或激光器）和光电管（光电二极管，三极管或光电池）所组成。

红外发光二极管（或激光器）通上电后，发出红外光（或激光）；当遮光盘随着转轴转动时，光线依次通过光槽（孔），使对着的光电管导通，相应地产生反应转子相对定子位置的电信号，经放大后去控制功率晶体管，使相应的定子绕组切换电流。

光电式位置传感器产生的电信号一般都较弱，需要经过放大才能去控制功率晶体管。

但它输出的是直流电信号，不必再进行整流，这是它的一个优点。

图10-6光电式位置传感器

10.2.3霍尔元件

采用霍尔元件作为位置传感器的无刷直流电动机通常称为“霍尔无刷直流电动机”。

由于无刷直流电动机的转子是永磁的，就可以很方便地利用霍尔元件的“霍尔效应”检测转子的位置。

图10-7表示四相霍尔无刷直流电动机原理图。

图中两个霍尔元件H1和H2以间隔90°电角度粘于电机定子绕组A和B的轴线上，并通上控制电流，电机转子磁钢兼作位置传感器的转子。

当电机转子旋转时磁钢N极和S极轮流通过霍尔元件H1和H2，因而产生对应转子位置的两个正的和两个负的霍尔电势，经放大后去控制功率晶体管导通，使四个定子绕组轮流切换电流。

霍尔无刷直流电动机结构简单，体积小，但安置和定位不便，元件片薄易碎，对环境及工作温度有一定要求，耐震差。

图10-7霍尔无刷直流电动机原理图

10.3无刷直流电动机工作原理

无刷直流电机，其转子采用永磁体励磁产生直轴位置的励磁磁场，而定子为电枢绕组通过功率控制器控制各相绕组的通断状态。

由于定子电枢绕组通断状态的组合方式是有限的，因此定子电枢绕组产生的电枢磁场位置也是有限的，不可能像交流感应电机一样产生幅值恒定又连续旋转的定子磁场，所以无刷直流电机定子绕组产生的磁场必定是跳跃式前进的（也称步进式的），这是不同于直流电机和交流电机电枢磁场运动的特征之一。

但是，这种跳跃式前进的磁场仍然要与转子磁场保持相对同步。

如果定子磁场相对于转子磁场始终超前90°电角左右范围内运动，那么定子电枢磁场总是吸引转子永磁励磁磁场，它们之间能够产生正的平均电磁转矩。

虽然定转子磁场之间存在相对运动，但是转子能够不停地跟随定子磁场正向旋转。

同样，如果定子磁场相对于转子磁场滞后90°电角左右范围内运动，那么定子电枢磁场同样能吸引转子永磁励磁磁场，它们之间也能够产生负的平均电磁转矩。

虽然定转子磁场之间存在相对运动，但不会影响转子跟随磁场反向旋转。

否则，定子电枢磁场与转子励磁磁场之间的相对运动将导致产生的平均电磁转矩很小甚至为0，不能驱动负载连续运行，最终转子停止不动，这种情况称为失步。

总之，要保持定转子磁场产生恒定的平均电磁转矩，必须保证定转子磁场在空间保持相对静止。

这种相对静止有2层含义：

一是恒定的平均电磁转矩而不是恒定的瞬时电磁转矩，即瞬时转矩可以变化，但总体上存在一定大小的平均值，这种电磁转矩瞬时变化由具有机械惯性的转子起到平滑作用，即转矩波动随着转子转动惯量增大而减小。

二是定转子磁场在空间保持相对静止而不是保持相互之间的绝对静止，即使瞬时定转子磁场之间存在相对运动，但总统上始终保持同步以产生恒定的平均电磁转矩。

10.3.1三相非桥式星形接法

图10-8表示一台采用非桥式晶体管开关电路驱动两极星形三相绕组，并带有电磁式位置传感器的无刷直流电动机。

转子位置传感器的励磁线圈由高频振荡器供电，通过导磁片的作用使信号线圈获得较大的感应电压，并经整流、放大加到开关电路功率管的基极上使该管导通，因而与该管串联的定子绕组也就与外电源接通。

由于导磁片与电动机转子同轴旋转，所以信号线圈Wa、Wb、Wc依次得电，3个功率管依次导通，使定子三相绕组轮流通电。

当电机转子处于图10-8瞬时，位置传感器PS的扇形导磁片位于图示位置处，它的信号线圈Wa开始与励磁线圈相耦合，便有信号电压输出，其余两个信号线圈Wb、Wc的信号电压为0。

线圈Wa供出的信号电压使晶体管V1开始导通，而晶体管V2、V3截止。

这样，电枢绕组AX有电流通过，电枢磁场Ba的方向如图中所示。

电枢磁场与永磁转子磁场相互作用就产生转矩，使转子按顺时针方向旋转。

图10-8无刷直流电动机工作原理

图10-9电枢磁场与转子磁场间的相对位置

当电机转子在空间转过2π/3电角度时，位置传感器的扇形片也转过同样角度，从而使信号线圈Wb开始有信号电压输出，Wa、Wc的信号电压为0。

Wb输出的信号电压便使晶体管V2开始导通，晶体管V1、V3截止。

这样，电枢绕组BY有电流通过，电枢磁场Ba的方向如图10-9（a）所示。

电枢磁场Ba与永磁转子磁场相互作用所产生的转矩，使转子继续沿顺时针方向旋转。

若转子继续转过2π/3电角度，回到原来的起始位置（如图10-9（c）），通过位置传感器将重复上述的换流情况，如此循环下去，无刷直流电动机在电枢磁场与永磁转子磁场的相互作用下，能产生转矩并使电机转子按一定的转向旋转。

可以看出，在三相星形非桥式的无刷直流电动机中，当转子转过2π电角度时，定子电枢绕组共有3个通电状态；

每一状态仅有一相导通，定子电流所产生的电枢磁场在空间跳跃着转动，相应地在空间也有3个不同的位置，称为三个磁状态；每一状态持续2π/3电角度，这种通电方式称为一相导通三相星形三状态。

每一晶体管导通时转子所转过的空间电角度称为导通角αc。

显然，转子位置传感器的导磁扇形片张角αp至少应该等于导通角αc。

通常为了保证前后两个导通状态之间不出现间断，就需要有个短暂的重叠时间，必须使αp略大于αc。

电枢磁场在空间保持某一状态时转子所转过的空间电角度，即定子上前后出现的两个不同磁场轴线间所夹的电角度称为磁状态角，或称状态角，用αm来表示。

三相星形非桥式无刷直流电动机各相绕组与各晶体管导通顺序的关系如表10-1所示。

可以看出，由于一个磁状态对应一相导通，所以角αc和αm都等于2π/3。

当电机是p对极时，位置传感器转子沿圆周应有p个均布的导磁扇形片，每个扇形片张角αp≥2π/（3p）。

表10-1星形三相三状态导通顺序表

电角度02π/34π/32π

定子绕组的导通角

A

B

C

导通的晶体管

V1

V2

V3

10.3.2三相星形桥式接法

若定子绕组仍为三相，而功率晶体管接成桥式开关电路如图10-10所示，相应的位置传感器原理图如图10-11所示。

三相电枢绕组与各晶体管导通顺序的关系如表10-2所示。

可以看出，电机应有6个通电状态，每一状态都是两相同时导通，每个晶体管导通角仍为αc=2π/3，位置传感器扇形片张角αp≥2π/（3p）。

电枢合成磁场是由通电的两相磁场所合成。

若每相磁密在空间是正弦分布，用向量合成法可得合成磁密Ba的幅值等于每相磁密幅值的

倍，它在空间也相应有6个不同位置，磁状态角αm=π/3。

三相星形桥式电路的通电方式称为两相导通星形三相六状态。

图10-11三相桥式电路的位置传感器

图10-10三相星形桥式开关电路

V1V6（A+C-）→V6V2（B+C-）→V2V4（B+A-）→

V4V3（C+A-）→V3V5（C+B-）→V5V1（A+B-）→V1V6（A+C-）

表10-2两相导通星形三相六状态导通顺序表

10.3.3三相封闭形桥式接法

封闭式定子绕组只能与桥式晶体管开关电路相组合。

图10-12表示三相封闭形（三角形）桥式接法的原理线路图。

三相电枢绕组与各晶体管导通顺序的关系如表10-3所示，可以看出，它与星形接法的区别在于任何磁状态中电枢绕组全部通电，总是某两相绕组串联后再与另一相绕组并联。

在各状态中仅是各相通电顺序与电流流过的方向不同。

电枢合成磁场是由通电的三相磁场所合成。

图10-13表示B相绕组与C相绕组串联再与A相绕组并联，电流由B相流向C相（符号为A∥BC）时的磁密向量图。

可见，定子合成磁密Ba的幅值等于每相磁密幅值的1.5倍。

三相封闭形桥式接法也有6个通电状态，磁状态角αm=π/3，导通角αc=2π/3，位置传感器导磁扇形片张角αp≥2π/（3p）。

这些都与三相星形桥式接法相同。

三相封闭形桥式电路的通电方式也称为封闭形三相六状态。

图10-12三相封闭形桥式开关电路

V1V6[A//（C→B）]→V6V2[B//（C→A）]→V2V4[C//（B→A）]→

V4V3[A//（B→C）]→V3V5[B//（A→C）]→V5V1[C//（A→B）]→V1V6[A//（C→B）]

表10–3封闭形三角六状态导通顺序表

图10–13对应A∥BC时电枢磁密向量图

BrushlessDCmotor

BrushlessDCmotorsweredevelopedfromconventionalbrushedDCmotorswiththeavailabilityofsolidstatepowersemiconductors.So,whydowediscussbrushlessDCmotorsinachapteronACmotors?

BrushlessDCmotorsaresimilartoACsynchronousmotors.ThemajordifferenceisthatsynchronousmotorsdevelopasinusoidalbackEMF,ascomparedtoarectangular,ortrapezoidal,backEMFforbrushlessDCmotors.Bothhavestatorcreatedrotatingmagneticfieldsproducingtorqueinamagneticrotor.

Synchronousmotorsareusuallylargemulti-kilowattsize,oftenwithelectromagnetrotors.Truesynchronousmotorsareconsideredtobesinglespeed,asubmultipleofthepowerlinefrequency.BrushlessDCmotorstendtobesmall–afewwattstotensofwatts,withpermanentmagnetrotors.ThespeedofabrushlessDCmotorisnotfixedunlessdrivenbyaphasedlockedloopslavedtoareferencefrequency.Thestyleofconstructioniseithercylindricalorpancake.（Figuresandbelow）

Cylindricalconstruction:

（a）outsiderotor,（b）insiderotor.

Themostusualconstruction,cylindrical,cantakeontwoforms（Figureabove）.Themostcommoncylindricalstyleiswiththerotorontheinside,aboveright.Thisstylemotorisusedinharddiskdrives.Itisalsopossibletheputtherotorontheoutsidesurroundingthestator.SuchisthecasewithbrushlessDCfanmotors,sanstheshaft.Thisstyleofconstructionmaybeshortandfat.However,thedirectionofthemagneticfluxisradialwithrespecttotherotationalaxis.

Pancakemotorconstruction:

（a）singlestator,（b）doublestator.

Hightorquepancakemotorsmayhavestatorcoilsonbothsidesoftherotor（Figureabove-b）.Lowertorqueapplicationslikefloppydiskdrivemotorssufficewithastatorcoilononesideoftherotor,（Figureabove-a）.Thedirectionofthemagneticfluxisaxial,thatis,paralleltotheaxisofrotation.

Thecommutationfunctionmaybeperformedbyvariousshaftpositionsensors:

opticalencoder,magneticencoder（resolver,synchro,etc）,orHalleffectmagneticsensors.SmallinexpensivemotorsuseHalleffectsensors.（Figurebelow）AHalleffectsensorisasemiconductordevicewheretheelectronflowisaffectedbyamagneticfieldperpendiculartothedirectionofcurrentflow..Itlookslikeafourterminalvariableresistornetwork.Thevoltagesatthetwooutputsarecomplementary.Applicationofamagneticfieldtothesensorcausesasmallvoltagechangeattheoutput.TheHalloutputmaydriveacomparatortoprovideformorestabledrivetothepowerdevice.Or,itmaydriveacompoundtransistorstageifproperlybiased.MoremodernHalleffectsensorsmaycontainanintegratedamplifier,anddigitalcircuitry.This3-leaddevicemaydirectlydrivethepowertransistorfeedingaphasewinding.Thesensormustbemountedclosetothepermanentmagnetrotortosenseitsposition.

Halleffectsensorscommutate3-φbrushlessDCmotor.

Thesimplecylindrical3-φmotorFigureaboveiscommutatedbyaHalleffectdeviceforeachofthethreestatorphases.ThechangingpositionofthepermanentmagnetrotorissensedbytheHalldeviceasthepolarityofthepassingrotorpolechanges.ThisHallsignalisamplifiedsothatthestatorcoilsaredrivenwiththepropercurrent.Notshownhere,theHallsignalsmaybeprocessedbycombinatoriallogicformoreefficientdrivewaveforms.

Theabovecylindricalmotorcoulddriveaharddriveifitwereequippedwithaphasedlockedloop（PLL）tomaintainconstantspeed.Similarcircuitrycoulddrivethepancakefloppydiskdrivemotor（Figurebelow）.Again,itwouldneedaPLLtomaintainconstantspeed.

Brushlesspancakemotor

The3-φpancakemotor（Figureabove）has6-statorpolesand8-rotorpoles.Therotorisaflatferriteringmagnetizedwitheightaxiallymagnetizedalternatingpoles.Wedonotshowthattherotoriscappedbyamildsteelplateformountingtothebearinginthemiddleofthestator.Thesteelplatealsohelpscompletethemagneticcircuit.Thestatorpolesarealsomountedatopasteelplate,helpingtoclosethemagn