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1、伺 服 系 统,第5章 无刷直流电动机控制系统,内容提要,第1节 无刷直流电动机的组成结构和工作原理 第2节 无刷直流电动机的基本公式和数学模型 第3节 无刷直流电动机的转矩波动 第4节 无刷直流电动机的驱动控制 第5节 无位置传感器的无刷直流电动机的驱动控制 第6节 无刷直流电动机驱动控制的专用芯片介绍,第1节 无刷直流电动机的组成结构和工作原理,三相永磁无刷直流电动机（简称无刷直流电动机）和有刷直流电动机相比，由于去除了滑动接触机构，因而消除了故障的主要根源。有专家认为无刷直流电动机将作为信息时代的主要执行部件在各行各业得到最广泛的应用。,三相永磁无刷直流电动机和一般的永磁有刷直流电动机相
2、比，在结构上有很多相近之处： 装有永磁体的转子（取代有刷直流电动机的定子磁极）； 具有三相绕组的定子（取代转子电枢）； 用逆变器和转子位置检测器组成电子换向器，取代有刷直流电动机的机械换向器和电刷。,一、三相永磁无刷直流电动机的结构特点,内转子,外转子,无刷直流电动机为了去掉电刷，将电枢放到定子上去，但是这样定子上的电枢通过直流电后，只能产生恒定的磁场，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，这样才能使定子磁场随着转子的位置在不断地变化，使定子磁场与转子永磁磁场始终保持90左右的空间角，产生转矩推动转子旋转。,转子是由永磁材料制成的，是具有一定磁极对数的永
3、磁体。,无刷直流电动机结构示意图 1-主定子 2-主转子 3-传感器定子 4-传感器转子 5-电子换向开关电路,无刷直流电动机(brushless DC motor)是由：电动机本体、转子位置传感器和电子开关线路三部分组成。 如上图所示。直流电源通过开关电路向电动机定子绕组供电，位置传感器随时检测到转子所处的位置，并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和截止，从而自动地控制哪些绕组通电，哪些绕组断电，实现了电子换向。,三相定子绕组如图，转子由稀土永久磁钢按一定极数（2,4,6,）组成，如2p为2。三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的开关器件相连接（A、B、C三相绕组分别与功率开关管VT1、V
4、T2、VT3相连），位置传感器与电机的转轴相连接并同步运转。当电机定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢的位置信号变换成电信号，去控制电子开关线路，每相依次下去，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。,直流无刷电动机结构原理图,转子上永久磁铁的特性，在很大程度上决定了电动机的特性，目前采用的永磁材料主要有铁淦氧、铝镍钴、钕铁硼以及SmCO5和Sm2CO17。 在转子上安置永久磁铁的方式有两种。 一种是：将成型永久磁铁装在转子表面，即所谓外装式； 一种是：将成型永久磁铁埋入
5、转子里面，即所谓内装式，图5-2。 根据永久磁铁安装在转子上的方法的不同，永久磁铁的形状可分为扇形和矩形两种。,凸极式转子上有明显凸出的成对磁极或励磁线圈。 隐极式转子上没有凸出的磁极。转子本体表面开有槽，槽中嵌放励磁绕组。,扇形磁铁构造的转子具有电枢电感小，齿槽效应转矩小的优点。但易受电枢反应的影响，且由于磁通不可能集中，气隙磁密度低，电极呈现凸极特性。 矩形磁铁构造的转子呈现凸极特性，电枢电感大，齿槽效应转矩大。但磁通可集中，形成高磁通密度，故适于大容量电动机。此外，这种转子结构的永久磁铁不易飞出，故可适合于高速运转。,a,b,根据确定的转子结构所对应的每相励磁磁势分布的不同，三相永磁同步
6、电动机可分为两种类型： 正弦波型永磁同步电动机：每相励磁磁势分布是正弦波状； 方波型永磁同步电动机：每相励磁磁势分布呈方波状。,稀土永磁方波型电动机属于永磁无刷直流电动机的范畴； 稀土永磁正弦波型电动机则一般作为三相交流永磁同步伺服电动机来使用。 究竟是三相永磁无刷直流电动机还是三相交流永磁同步伺服电动机主要取决于电动机控制系统的控制方式，取决于电动机的转子位置传感器的类型。,永磁同步电动机的控制系统都属于自控式变频系统，就是说电动机的换相状态是由转子的位置决定的，电动机的控制频率是由转子的运行速度决定的，这就需要转子的位置检测器。 转子的位置检测器有多种： 正弦波永磁同步电动机一般采用：旋转
7、变压器、绝对式光电脉冲编码器或增量式光电脉冲编码器作为位置检测元件； 永磁无刷直流电动机（方波电动机）中，一般采用简易型的位置检测器。该器件不能用来检测转子的精确位置，其检测精度通常只有60（电角度）。其主要作用是为了满足电动机换相的要求。,二、三相永磁无刷直流电动机的转子位置传感器,位置传感器是无刷直流电动机系统的组成部分之一，也是区别于有刷直流电动机的主要标志。 作用是：检测主转子在运动过程中的位置，将转子磁极的位置信号转换成电信号，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，以控制它们的导通与截止，使电动机电枢绕组中的电流随着转子位置的变化按次序换向，形成气隙中步进式的旋转磁场，驱动永磁转子连续不
8、断地旋转。,位置传感器的种类有：电磁式、光电式、磁敏式等。 它们各具特点，然而由于磁敏式霍尔位置传感器具有结构简单、体积小、安装灵活方便、易于机电一体化等优点，目前得到越来越广泛的应用。 以霍尔效应原理构成的霍尔元件、霍尔集成电路、霍尔组件统称为霍尔效应磁敏传感器，简称霍尔传感器。,转子位置检测器介绍,转子位置检测器有多种不同的结构形式，大致可分为如下几种：,(1)光电式 图3-22所示的一种光电位置传感器，它将一个带有小孔的光屏蔽罩和转轴连接在一起，并随转子绕一固定光源旋转。安装在对应于定子绕组确定位置上的硅光电池受到光束的照射时，发出电信号，从而检测出定子绕组需要进行换流的确切位置。,(2
9、)电磁式,电磁式位置检测器由定子和转子两部分组成，定子铁芯和转子上的扇形部分由高导磁材料制成。在定子铁芯上也有与电机定子绕组相对应的相数，每相的一端均嵌有输入线圈，并在输入线圈中外接高频励磁电压，每相的另一端嵌有输出线圈Wa、Wb、Wc。位置检测器的转子与电机的转子同轴安装。当位置检测器转子的扇形部分转到使定子某相的输入线圈和输出线圈相耦合的位置时，该相输出线圈则有电压信号输出，而其余未耦合相的输出线圈则无电压信号输出。利用输出的电压信号，就可检测出电机定子绕组需要进行换流的确切位置。,霍尔效应：一块通过恒定电流的半导体（或导体）薄块，在与电流垂直方向上加上磁场时，运动的电子产生偏移，在薄块的
10、两个侧面就产生一个电势差，这种现象称为霍尔效应，此电势差称为霍尔电压U。实验证明：当通过半导体薄块的电流恒定时，霍尔电压U和半导体薄块所处的磁感应强度B成正比。,基于霍尔效应的传感器叫霍尔传感器，按其功能和应用可分为线性型、开关型、锁定型三种。,（3）磁敏式,N型半导体，载流子为电子,P型半导体，载流子为空穴,霍尔位置传感器的基本原理： 无刷电机霍尔位置传感器是将有关外围电子元件集成在一起，组成一个有源的磁敏集成电路。通常将霍尔芯片（一矩形半导体薄片）、放大器、温度补偿电路、电源稳压电路、输出级等制作在同一块硅片上，然后用塑料封装。它是一个有源磁电转换元器件，俗称霍尔元件。 霍尔元件有线性型和
11、开关型之分，供电电源有12V和5V之别。用于电动自行车无刷电机的霍尔元件均为开关型且供电电源均为5V。 线性型：输入为为变化的磁感应强度，得到与磁感应强度成线性关系的输出电压。可用于磁场测量、电流测量、电压测量等。 开关型：输入为磁感应强度，输出为开关信号（含施密特触发器：能够把变化缓慢的输入信号整形成边沿陡峭的矩形脉冲）。 霍尔元件内部的核心是霍尔芯片。霍尔芯片是一矩形半导体薄片，薄片厚度极小，在薄片左右两侧面（即X轴方向）上通以恒定电流I ，在上下面（即Z轴方向）上施加上磁场B ，则在前后两侧面（即Y轴方向）上产生一电压UH。霍尔电压UH大小与磁场B和电流I成正比，与厚度成反比。 霍尔效应
12、用于位置识别就是将电流I恒定（由控制器控制），则UH唯一随B变化。开关型就是UH只有两个极限值，即高电平和低电平，无中间状态。易见，UH的有无，也就是B的有无，而B随位置而变，这就是霍尔效应应用于位置识别的基本原理。,霍尔位置传感器和电动机本体一样，也是由静止部分和运动部分组成，即位置传感器定子和位置传感器转子。传感器转子与电动机主转子一同旋转，以指示电动机主转子的位置；若干个霍尔元件，按一定的间隔，等距离地安装在传感器定子上，以检测电动机转子的位置。,施密特触发器的信号处理,如果转子的极对数为1，位置传感器的永磁转子每转过一对磁极(N、S极)的转角，也就是说每转过360电角度，就要产生出与电
13、动机绕组逻辑分配状态相对应的开关状态数，以完成电动机的一个换流全过程。 如果转子的极对数越多，则在360机械角度内完成该换流全过程的次数也就越多。,霍尔位置传感器必须满足以下两个条件： 1）位置传感器在一个电周期内所产生的开关状态是不重复的，每一个开关状态所占的电角度应相等。 2）位置传感器在一个电周期内所产生的开关状态数应和电动机的工作状态数相对应。,对于三相无刷直流电动机，其位置传感器的霍尔元件的数量是3，安装位置间隔120电角度，其输出信号是HA、HB、HC，波形见图5-4。,图5-4 霍尔传感器的三相波形（120度）,图5-4表明，三相永磁无刷直流电动机转子位置传感器输出信号Ha、Hb
14、、Hc在每360电角度内给出了6个代码，按其顺序排列，6个代码是101、100、110、010、011、001。当然，这一顺序与电动机的转动方向有关，如果转向反了，代码出现的顺序也将倒过来。 图5-5是三相永磁无刷直流电动机的电子换向器主回路，也就是由6只功率开关元件组成的三相H形桥式逆变电路。,三、三相直流无刷电动机的换相原理,001 011 010 110 100 101,010 011 001 101 100 110,正转,反转,图5-6是三相永磁无刷直流电动机的定子绕组的结构示意图。其中虚线A-X表示与A相绕组轴线相正交的位置；虚线B-Y表示与B相绕组轴线相正交的位置；虚线C-Z表示与
15、C相绕组轴线相正交的位置；显然由A-X、B-Y、C-Z交叉形成了6个60的扇区，我们也把图5-6称作“定子空间的扇区图”。,每个位置传感器的代码与一个扇区相对应,可以通过两种不同的途径来分析无刷电动机的换相过程： 第一条途径是：利用“定子空间的扇区图” 来分析换相过程（6个扇区对应6个代码） （p148）， ； 第二条途径是：通过分析电动机的三相反电动势来理解换相过程。,运用“定子空间扇区图”可以分析三相无刷直流电动机在360电角度内的换相过程，从分析可以看出，定子的磁场是步进地、跨越地前进的，每步跨越60电角度，而转子当然是连续地运行的。 从分析三相无刷直流电动机的三相反电势的角度，同样也可
16、以理解其换相过程。基本思路是这样的：为了获得最大的转矩，应当使每相的反电势与该相的电流的相位相同。 无论是从“定子空间扇区图”还是从电动机定子绕组的反电势来分析三相无刷电动机的换相过程，所得出的开关管的导通和关断状态与转子位置的关系都是相同的。,表5-1是对无刷直流电动机换相状态的总结。,前面分析的是电动机转子顺时针运转时的情况，电动机转子逆时针运转时的情况也是类似的。,第2节无刷直流电动机的基本公式和数学模型,无刷直流电动机的基本物理量有：电磁转矩、电枢电流、反电势和转速等。这些物理量的表达式与电动机气隙磁场分布、绕组形式有十分密切的关系。 对于永磁无刷直流电动机，其气隙磁场波形可以为方波，也可以实现正弦波或梯形波，对于采用稀土永磁材料做转子的电动机，其气隙磁场一般为方波，其理想波形见图5-8。,对于方波气隙磁场（磁感应强度在空间的宽度应大于120电角度），当定子绕组采用集中整距绕组，即每极每相槽数为1时，方波磁场在定子绕组中感应电势为梯形波，且梯形反电势的平顶宽大于120电角度。
