直流电机无刷驱动器

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1、一 绪论1.1 研究背景、现状及意义自 1835 年世界上第一台应用电动机问世以来，电动机作为机电能转换装置， 其应用范围已遍及国民经济生活的各个领域。电动机主要有同步电动机、异步电 动机与直流电动机三种，其容量小到几瓦，大到上万千瓦。由于直流电动机具有 非常优秀的线性机械特性、宽的调速范围、大的起动转矩、简单的控制电路等优 点，一直被广泛地应用在各种驱动装置和伺服系统中，但由于直流电动机采用电 刷和换相器换相，存在机械摩擦，从而产生电火花、噪音、电磁干扰等问题;另 外，由于机械换相器的存在，使传统直流电动机的制造相对复杂，成本较高，维 护困难。这些问题的存在，限制了直流电动机的进一步应用。长

2、期以来，人们一 直在寻找一种不用电刷和换相器的直流电动机。20世纪 30 年代，已经有学者开始研究以电子换相取代机械换相的无刷直流 电动机，但由于当时大功率电子器件处于初级发展阶段，使这种电动机只能停留 在实验室研究阶段，无法推广应用。1955年美国D.哈里森等人首次申请了用晶 体管换相电路代替机械电刷的专利，宣告现代无刷直流电动机的诞生。 1962 年， 借助于霍尔元件之利，实现了换相的无刷直流电动机。 1978年，原西德曼内斯 曼公司在汉诺威贸易博览会上推出了 MA C方波无刷直流电动机(Brushless DC Mo tor，简称BLDCM )及其驱动器，标志着利用电子换相的无刷直流电动

3、机真正 进入实用阶段。无刷直流电动机利用电子换相器取代了机械电刷和机械换相器， 使这种电动机不仅保留了直流电动机的优点，而且又具有交流电动机的结构简单 运行可靠、维护方便等优点，所以无刷直流电动机一经问世就以极快的速度发展 和普及。1986年，H.R.博尔顿对方波无刷直流电动机进行了全面系统的总结， 成为方波无刷直流电动机研究的经典文献，它标志着方波无刷直流电动机在理论 上达到了成熟。按照流入电枢绕组的电流波形的不同，直流无刷电动机可分为方波永磁无刷 直流电动机(BLDCM)和正弦波型永磁无刷直流电动机(Permanen t Magne t Synchronous Mot or，简称PMSM)

4、。正弦波型永磁无刷直流电动机用永磁材料取 代同步电动机转子中的励磁绕组，省去了励磁绕组、滑环和电刷。PMSM的反电 势波形和供电电流波形均为正弦波，其控制需要较为精密的转子位置信号，故位 置传感器结构较为复杂，成本较高，但其控制方法灵活，转矩波动较小，一般用 于伺服控制系统。而方波永磁无刷直流电动机(通常，方波型永磁无刷直流电动机可称为无刷 直流电动机)则是用电子换相取代了原直流电动机的机械换相，由永磁材料做转 子，省去了电刷。BLDCM的反电势为梯形波，供电电流为方波，控制系统对转子 位置信号的要求不高，只需获得若干个离散的转子关键位置信号。在相同的条件 下，驱动电路要获得方波比较容易，且控

5、制简单。因此，BLDCM的应用较PMSM 要广泛得多。由于无刷直流电动机既具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优 点，又具备直流电动机运行效率高、调速性能好的特点，且生产成本相对较低。 因此，从工业领域到家电、信息产品等消费品领域，无刷直流电动机正得到越来 越广泛的应用，并具有十分巨大的发展潜力。而我国对无刷直流电机的研究起步 较晚，加上制造工艺和加工设备方面相对较落后，故目前我国无刷直流电机的整 体水平低于国际水平，尤其在数字化控制方面，远不如国际水平。并且，无刷直 流电动机是近年来随着微处理器技术、新型电力电子器件、新型控制理论的发展， 以及低成本、高磁能积的永磁材料的出现而发展起

6、来的，相对于其它类型电动机 来说还是一种新型电动机，对其设计、控制方法等方面的研究仍处于不断地探索 之中。所以，对无刷直流电动机本体设计及其控制方法进行系统、深入地研究有 着十分重要的理论和现实意义。1.2 无刷直流电动机的发展趋势首先，电力电子器件的发展是影响直流无刷电机发展的一个重要因素，随着 电力电子器件向着大电流、高电压的方向发展以及正弦波 PWM 电流驱动技术、 新的控制方式和控制策略的发展，决定了电机也向着大功率、高性能的方向发展; 其次，永磁电动机性能的改进离不开高性能材料的应用，随着电力电子技术、高 性能材料的发展、高性能微处理的出现以及控制技术的发展，为直流无刷电动机 不断发

7、展、改进提供了必要条件。直流无刷电动机是一种机电一体化产品，除了电动机本体外，还必须带有位 置传感器，以检测定、转子之间相对位置。而且，离开了驱动控制电路直流无刷 电动机不可能运行。所以直流无刷电机的性能的提高也正朝着以下几个方向发 展:(1) 智能直流无刷电动机(Smart BLDC Motor)的研制所谓智能电动机就是将电动机、编码器(传感器)、功率放大器、电源、可编 程控制器、网络管理器等功能块组合在一起，形成一个整体。这样的组合带来一 系列优点:可靠性提高;成本降低;体积减少;系统性能提高。实际上，智能电机的 研究，就是将电机技术、电机的控制技术和电子技术相结合的研究。(2) 性能改进

8、和新品种的开发对于直流无刷电动机，应该进一步改进的问题中首先是转矩脉动，尤其是用 于视听设备、电影机械、计算机中的直流无刷电动机，更要求运行平稳，没有噪 声。这些应用场合中的电动机，大多为小功率、小尺寸的电动机，尺寸紧凑，改 动更为困难。为了解决这个问题，可以利用计算机进行模拟、分析、计算、比较; 通过研究气隙磁场形状和磁极结构，选择合适的极对数和槽数以及合适的槽口尺 寸。(3) 高效、节能电动机的研究 研究、开发高效、节能电动机一直是个重要课题。尤其是直流无刷电动机的 应用越来越普及，在数瓦至数千瓦这个功率段里用得最多。日本近些年来推出的 分割铁芯结构的直流无刷电动机达到了卓越的效果。如松下

9、公司推出的 MINAS HYDER 的两个系列的电机超小型高效、节能系列和高效通用系列，容量就 是数瓦至数千瓦。以750W的电机为例，和标准的二相电机相比，在同样的输出 功率情况下，超小型系列的体积只有 13%大小，重量只有 25%;通用系列的体积 只有标准二相电机的 60%，重量只有 50% 。(4) 新材料、新技术的应用和加工工艺的改进 电动机性能的改进离不开高性能材料的应用，首先应该提及的是永磁材料性能的提高。研制和采用磁性能更好，温度特性更佳、防锈防腐特性更强、价格更 便宜的稀土材料是一个关键。在导电材料上，国外已经普遍采用了无氧铜线，它 的电阻率更小，更可贵的是硬度小，易弯曲，下线方

10、便。但目前国内应用尚少， 应该加速推广应用。另外，绝缘材料，高速运行时的轴承以及部分结构材料的塑 料化等都是很有意义的课题。在加工技术方面首先应该提到的是充磁技术，应该 保证气隙磁场形状，保证性能。其它的还有加工的一致性，精确度，高效等等。 直流无刷电动机虽然已经发展到相当成熟的阶段，有着优越的性能，但是相对于 其它类型电动机还是一种新型电动机。直流无刷电动机是机电一体化产品，是多 学科技术相结合的产物。它的驱动、控制更是和电子技术息息相关。因此，进行 直流无刷电机系统的研究对于我国工业现代化建设有着重要的意义。(5) 先进控制技术的应用随着变结构控制、无传感器控制、模糊控制和PID相结合的F

11、uzzy-PID控制、 神经网络和模糊控制相结合的复合控制、遗传算法和模糊控制的复合控制等先进 控制技术的不断发展和应用，将促使直流无刷电动机控制系统性能的性能不断提 高。1.3 无刷直流电机的主要研究内容本课题是自选研究课题，旨在研制一套基于ARM LM3S811的无位置传感器 无刷直流电机控制调速系统，通过检测无刷直流电机运行时各相绕组的反电动势 过零点，来间接确定转子的实际位置。研究的主要内容如下：(1) 研究直流无刷电动机的运行原理和控制方式，针对控制对象具有梯 形波反电动势的无刷电机选择合适的控制方案。(2) 设计直流无刷电机控制器的硬件电路，包括电源电路、功率电路、电流 检测电路、

12、电压检测电路、位置检测电路、电流斩波电路、驱动电路、ARM外 围电路、以及显示电路等。(3) 根据直流无刷电机的控制策略，完成控制系统的软件设计。实现数据采 集及显示；跟踪转子位置，输出相通断信号至功率变换器决定对应的开关器件的 开断；根据转子位置信号计算速度值；进行转速环和电流环PID调节；实现电 机正反转运行等。(4) 通过实验，验证硬件电路的可行性，根据控制要求修改软件设计，提高 控制性能。二、无刷直流电机的工作原理和数学模型2.1 BLDCM 的组成BLDCM 主要由三部分组成：电动机本体；电子换相电路；位置检测电路。 其组成原理框图如图 2-1 所示。图2-1无刷直流电动机的组成原理

13、框图2.1.1 电动机本体本课题采用的是，新西达的KV值为1400的外转子电机XXD2212。其 结构及绕组绕法如图 2-2、 2-3 所示。图2-2 XXD2212电机结构图2-3 XXD2212电机绕组绕法2.1.2 电子换相电路XXD2122遵循AB4ACTBC今BA9CAPCBAB的顺序进行通电换相（若 需电机反转，反序通电即可）。在无刷直流电动机中，电子换相电路用来控制电 动机定子上各相绕组通断的顺序和时间，其中功率逻辑开关单元是控制电路的核 心，其功能是将电源的功率以一定逻辑关系分配给无刷直流电动机定子上各相绕 组，从而使电动机输出持续不断的转矩。由于三相桥式换相电路中功率器件的使

14、 用效率高，可以与各种绕组连接形式的电动机配合使用。本文中采用三相桥式换 相电路。如图 2-4 所示为三相桥式电路与电动机连接的示意图。图 2-4 三相桥式换相电路2.1.3 位置检测电路 本文采用的是反电动势过零点检测法，其基本原理：在忽略电机电枢反应 影响的前提下，当无刷直流电机稳态运行时，任何时刻其三相绕组只有两相导通， 每相绕组分别导通120 0电角度，通过检测非导通相的反电动势过零点，依次得到 转子的6个关键位置，以此轮流触发6个MOSFET管，驱动电动机的正常运行。 反电动势过零点检测法的关键是找准过零点时刻。如图 2-5 所示为三相反相电动 势检测电路。Phase VaR15Ph

15、ase APhase Vbgj,7Phase BPhase Vc上19 )Toop *21 上20 j Mkl00p *22 上21 JR23 MkJoop *.4k图 2-5 三相反相电动势检测电路2.2 BLDCM 的工作原理BLDCM 的基本工作原理是借助反映转子位置信号，通过驱动电路驱动换相 控制的功率开关元件，使电枢绕组依照一定的顺序通电，在气隙中产生步进式旋 转磁场，拖动转子旋转。随着转子的转动，转子位置信号依一定规律变化，从而 改变电枢绕组的通电状态，实现无刷直流电机的机电能量转换。无刷直流电机的 工作原理示意图如图 2-6所示。RVD3CVT2VT1二 ZVD1二 VD5二 V

16、D2VD6换相触发电路 绕级A绕组C绕爼B图 2-6 无刷直流电机的工作原理示意图当转子为位于图2-7(a)所示的位置时，电机处于第一个导通状态，控制电路 根据转子位置检测电路信号进行逻辑编码，产生驱动信号，使换相电路中 VT1, VT6导通，A相绕组正向导通，B相绕组反向导通。转子磁动势Fm和定子合成 磁动势Fa的空间位置如图2-7 (a)所示，转子产生顺时针方向的电磁转矩，转子 沿顺时针方向转动，电流流向为：电源正极VT1管一A相绕组一B相绕步 VT6 管一电源负极。当转子转动600电角度后，转子位置如图2-7(b)所示，电机处于 第二个导通状态。此时转子位置检测电路信号发生变化，经逻辑编码后，产生新 的驱动信号，使VT1, VT2导通，A相绕组正向导通