无刷直流电机

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1、（二）无刷电机组成无刷直流电机与有刷直流电机相似，它具有旋转的磁场和固定的电枢。这 样电子换相线路中的功率开关器件，如晶闸管，晶体管等可直接与电枢绕组连接。 在电机内，装有一个转子位置传感器，用来检测转子在运行过程中的位置。它与 电子换相线路一起，替代了有刷直流电机的机械换相装置。综上所述，无刷直流 电机由电机本体，转子位置传感器和电子换相线路三大部分组成，如图1所示。电动机本体1. 电机本体电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其他启动装 置。其定子绕组一般制成多相（三相、四相、五相不等）。转子由永久磁钢按一 定极对数（2p=2, 4， ）组成。2. 位置传感器位置传感器在

2、直流无刷电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关 电路提供正确的换相信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然后去 控制定子绕组换相。位置传感器种类较多，且各具特点。在直流无刷电动机中常 见的位置传感器有以下几种：电磁式位置传感器、光电式位置传感器、磁敏式位 置接近传感器。3. 电子换相当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位置变换成电信 号，去控制电子开关线路，从而使定子各项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。由于电子开关线路的导通次序是与转子转 角同步的，因而起

3、到了机械换向器的换向作用。（三）基本工作原理众所周知，一般的永磁式电动机的定子由永久磁钢组成，其主要的作用是在 电动机气隙中产生磁场。其电枢绕组通电后产生反应磁场。由于电枢的换相作用, 使得这两个磁场的方向在直流电动机运行的过程中始终保持相互垂直，从而产生 最大转矩而驱动电动机不停的云转。直流无刷电动机为了实现无电刷换相，首先 要求把一般直流电动机的电枢绕组放在定子上，把永磁磁钢放在转子上，这与传 统直流用词电动机的结构刚好相反。但仅这样做还是不行的，因为用一般直流电 源给定子上各绕组供电，只能产生固定磁场，它不能与运动只能够转子磁钢所产 生的永磁磁场相互作用，以产生单一方向的转矩来驱动转子做

4、功。所以直流无刷 电动机除了由定子和转子组成电动机本体以外，还要由位置传感器、控制电路以 及工具逻辑开关共同构成的换相装置，使得直流无刷电动机在运行过程中定子绕 组所产生的的磁场和装洞中转子磁钢产生的永磁场，在空间始终保持在（n/2） rad左右的电角度。（四）无刷宜流电机参数本系统采用的无刷电机参数：额定功率：100W额定电压：24V （DC）额定转速：3000r/min额定转矩：0.23Nm最大转矩：0.46Nm定位转矩：0.01N m额定电流:4.0A最大电流：8.0A极对数：4霍尔传感器位置呈60放置（五）三相无刷电动机主电路及工作方式由以上基本原理可知，无刷电机的连续运行，定子绕组所

5、产生的的磁场和装 洞中转子磁钢产生的永磁场，在空间始终保持在（n/2）rad左右的电角度，因 此定子绕组需要加三相电源，此电源可通过图2的逆变电路产生。Q1Q5Q?图2机主电路fc寸 000001 Rc在三相逆变电路中，应用最多的是如图二所示的三相桥式全控逆变电路。在 该电路中，电动机的三相绕组为Y联结。QI、Q2、Q6为六只MOSFET功率 管，起绕组的开关作用，高电平是导通，他们的通电方式又可分为两两导通和三 三道通两种方式。1. 二二通电方式 所谓二二通电方式是指每一瞬间有两个功率管导通，每隔1/ 6周期（60电角 度）换相一次，每次换相一个功率管导通120电角度。各功率管的导通顺序是V

6、F1VF2、VF2VF3、VF3VF4、VF4VF5、VF5VF6、VF6VF1 。当功率管 VF1 和 VF2 导通时，电流从VF1管流入A相绕组，再从C相绕组流出，经VF2回到电源。如 果认定流入绕组的电流所产生的转矩为正，那么从绕组流出所产生的转矩则为 负，它们合成的转矩如图3a所示，其大小为再Ta，方向在Ta和一Tc的角平分线上。当电机转过60后，由VF1VF2通电换成VF2VF3通电，这时，电流从VF3流入B相绕组再从C相绕组流出，经VF2回到电源，此时合成的转矩如图3b所 示，其大小同样为Ta。但合成转矩Tbc的方向转过了 60电角度。而后每换一次导通状态，合成转矩矢量方向就随着转

7、过60。电角度，但大小始终保持、污Ta不变。图3c示出了全部合成转矩的方向。b)a) VF1、V F2导通时合成转矩b) VF2、V F3导通时合成转矩c)二二导通时合成转矩矢量图图3联结绕组二二通电时的合成转矩矢量图所以，同样一台无刷直流电机，每相绕组通过与三相半控电路同样的电流时，采 用三相星形联结全控电路，在二二换相的情况下，其合成转矩增加了 3倍。每 隔60电角度换相一次，每个功率管通电120，每个绕组通电240，其中正 相通电和反相通电各120，其输出转矩波形如图4所示。由图4可以看出，三 相全控时的转矩波动比三相半控时小得多。图4全控桥输出波形图如将三只霍尔传感器按相位差120安装

8、，则它们所产生的波形如图5所示。 其换相的控制电路可由一片74LS138型3 8译码器和74LS09、74LS38两片门电 路构成，本系统采用无刷直流电动机专用集成电路LM621控制。Hl图5传感器输出波形2. 三三通电方式所谓三三通电方式，是指每一瞬间均有三只功率管同时通电，每隔60换 相一次，每个功率管通电180。它们的导通次序是 VF1VF2VF3、VF2VF3VF4、VF3VF4VF5、 VF4VF5VF6、 VF5VF6VF1、 VF6VF1VF2、 VF1VF2VF3 当 VF6VF1VF2 导通时，电流从VF1流入A相绕组，经B相和C相绕组（这时B、C两相绕组为 并联）分别从VF

9、6和VF2流出。这时流过B相和C相绕组的电流分别为流过A 相绕组的一半，其合成转矩如图6a所示，其方向与A相相同，大小为1.5Ta。 经过60电角度后，换相到VF1VF2VF3通电，即先关断VF6而后导通VF3 （注 意，一定要先关VF6而后通VF3，否则就会出现VF6和VF3同时通电，则电源被 VF3 VF6短路，这是绝对不允许的）。这时电流分别从VF1和VF3流入，经A相 和B相绕组（相当于A相和B相并联）再流入C相绕组，经VF2流出，合成转矩 如图6b所示，其方向与C相相同，转子再转过60电角度后大小仍为1.5Ta。再经过60电角度后，换相到VF1VF2VF3通电，而后依次类推，循环往复

10、。它们的合成转矩矢量图如图6c所示。丁0TcToTOa) VF6VF1VF2导通时的合成转矩b) VF1VF2VF3导通时的合成转矩c)三三通电时的合成转矩图6三三通电时的合成转矩矢量图在这种通电方式里，每瞬间均有三个功率管通电。每隔60换相一次，每次有 一个功率管换相，每个功率管导通180。从某一相上看，它们的电压波形如图 7所示。此外，根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压 型逆变电路，直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。它们各有特点，本系统使 用电压型逆变电路，它有以下特点：直流侧为电压源，或接有大电容，相当于电压源，直流侧电压基本无脉 动，直流回路呈现低阻抗。(2

11、) 由于直流电压源的钳位作用，交流侧电压波形为矩形波，并且与阻抗角 无关，而交流侧电流波形和相位因负载阻抗角而异。(3) 当交流侧为阻感性负载时需提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量 的作用，为了给交流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥给臂都并联反馈二极管。三、脉宽调制（PWM）技术（一）脉宽调制的原理脉宽调制（PWM）是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤 其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能量。PWM具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点。模拟电路控制有 以下缺陷：模拟电路容易随时间漂移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声 敏感等。而在用了 PWM技术后，避免了以

12、上缺陷，实现了用数字方式来控制模拟 信号，可以大幅度降低成本和功耗。PWM （脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载 两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面， 比如：电机调速、温度控制、压力控制等等。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且 根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电 枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转 速。也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。如图8所示。tlt2亍图8 PWM占空比原理设电机始终接通电源时，电机转速最大为

13、Vmax，设占空比为D=t 1/T，则 电机的平均速度为Va = Vmax * D,其中Va指的是电机的平均速度；Vmax是指 电机在全通电时的最大速度；D = tl / T是指占空比。由上面的公式可见，当 我们改变占空比D = tl / T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到 调速的目的。严格来说，平均速度Vd与占空比D并非严格的线性关系，但是 在一般的应用中，我们可以将其近似地看成是线性关系。（二）脉宽调制方式PWM控制的基本原理很早就已经提出,但是受电力电子器件发展水平的制约, 在上世纪80年代以前一直未能实现.直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电 子器件的出现和迅速发展,

14、PWM控制技术才真正得到应用.随着电力电子技术，微 电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论,非线 性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展.到目前为止，已出现了 多种PWM控制技术，根据PWM控制技术的特点，到目前为止主要有以下8类方法：1 .相电压控制PWM(1) 等脉宽PWM法(2) 随机PWM(3) SPWM 法 等面积法 硬件调制法 软件生成法自然采样法规则采样法 低次谐波消去法(4) 梯形波与三角波比较法2. 线电压控制PWM(1) 马鞍形波与三角波比较法(2) 单元脉宽调制法3. 电流控制PWM(1) 滞环比较法(2) 三角波比较法(3) 预测

15、电流控制法4. 空间电压矢量控制PWM5. 矢量控制PWM6. 直接转矩控制PWM7. 非线性控制PWM8谐振软开关PWM四、无刷直流电动机控制系统设计（一）基本原理本系统以AT89C51单片机为核心，通过LM621,以2*3矩阵键盘做为输入，4位数码管显示，达到控制无刷直流电机的启停、速度和方向，完成了基本要求 和发挥部分的要求。在系统中，采用了PWM技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。如果采用软件换相，单片机要不断地执行换相操作，才能使电动机转动下去，同 时还要监控用户界面，控制转速和转向操作，因此负担很重，故本系统中采用专用集成电路芯片LM621来完成换相工作。（二）总体框图系统总体框图如图9所示。: 1 : I : 1 : 1 : 1 : 1 : 1 : 1 : 1 : 1 : 1 : 11111:1:1:111:1:11:1:11:1:11-数码管显示1111111:厂111111:1