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1、PMSM的问题的问题n n控制比直流伺服电机要复杂的多；控制比直流伺服电机要复杂的多；n n要想实现力矩控制，必须有角位置传感器，以测要想实现力矩控制，必须有角位置传感器，以测量量d-qd-q坐标系的旋转角；坐标系的旋转角；n n反电势必须是正弦波的，这对电机制造及工艺提反电势必须是正弦波的，这对电机制造及工艺提出了较高的要求。出了较高的要求。反电势必须是正弦波的才能产生正弦电流反电势必须是正弦波的才能产生正弦电流3.3 无刷直流电动机无刷直流电动机 （Brushless Direct Current Motor ,BLDC） 1 1、无刷直流电动机结构、无刷直流电动机结构2 2、无刷直流电动
2、机工作原理、无刷直流电动机工作原理3 3、无刷直流电动机电机特性、无刷直流电动机电机特性4 4、PWMPWM控制技术控制技术1. 结构结构n n由定子、转子、由定子、转子、位置传感器及换相电路位置传感器及换相电路组成组成 n n定子采用叠片结构并在槽内铺设绕组的方式定子采用叠片结构并在槽内铺设绕组的方式 n n定子绕组多采用三相并以星形方式连接定子绕组多采用三相并以星形方式连接 n n将永磁体贴装在非导磁材料表面或镶嵌在其内构成。将永磁体贴装在非导磁材料表面或镶嵌在其内构成。n n大部分大部分BLDCBLDC采用表面安装方式。采用表面安装方式。n n多为多为2 2到到3 3对极的。对极的。n
3、n磁性材料多采用具有高磁通密度的稀土材料，如銣磁性材料多采用具有高磁通密度的稀土材料，如銣铁硼等铁硼等 n n结构上结构上BLDCBLDC与与PMSMPMSM有些相似，但有两点不同：有些相似，但有两点不同：BLDCBLDC的的转转子磁极子磁极经专门经专门的磁路的磁路设计设计，可，可获获得梯形波的气得梯形波的气隙磁隙磁场场。而。而 PMSMPMSM的的气隙磁气隙磁场场是正弦波的。是正弦波的。BLDCBLDC的定子的定子绕组结绕组结构使之构使之产产生的反生的反电势电势是梯形波的。而是梯形波的。而 PMSMPMSM绕组绕组结结构构产生正弦型的反电势。产生正弦型的反电势。PMSMPMSM定子绕组产生正
4、弦型的反电势定子绕组产生正弦型的反电势BLDCBLDC的定子绕组产生的反电势是梯形波的定子绕组产生的反电势是梯形波附：电角度和机械角度n n机械角度是指电机转子的旋转角度机械角度是指电机转子的旋转角度, ,由由mm表示；表示；n n电角度是指磁场的旋转角度，由电角度是指磁场的旋转角度，由ee表示。表示。n n当转子为一对极时，当转子为一对极时，m=em=e；n n当转子为当转子为n n对极时，对极时，e=nme=nm。2. 工作原理工作原理1 1）旋转磁场的产生）旋转磁场的产生）旋转磁场的产生）旋转磁场的产生 假定电机定子为假定电机定子为3 3相相6 6极，星型连接。转子为一对极。极，星型连接
5、。转子为一对极。n电流方向不同时，产生的磁场方向不同。n若绕组的绕线方向一致，当电流从A相绕组流进，从B相绕组流出时，电流在两个绕组中产生的磁动势方向是不同的。6步通电顺序n n三相绕组通电遵循如下规则：三相绕组通电遵循如下规则： 每步三个绕组中一个绕组流入电流，一个绕组流出电流，一个每步三个绕组中一个绕组流入电流，一个绕组流出电流，一个绕组不导通；绕组不导通；n n通电顺序如下：通电顺序如下： 1 1.A+B- .A+B- 2. 2.C+B- C+B- 3. 3.C+A- C+A- 4. 4.B+A- B+A- 5. 5. B+C- B+C- 6. 6.A+C-A+C-6步通电顺序n n1
6、1.A+B- .A+B- 2. 2.C+B- C+B- 3. 3.C+A- C+A- 4. 4.B+A- B+A- 5. 5. B+C- B+C- 6. 6.A+C-A+C-n n 每步磁场旋转每步磁场旋转6060度，每度，每6 6步旋转磁场旋转一周；步旋转磁场旋转一周；n n每步仅一个绕组被换相。每步仅一个绕组被换相。6步通电顺序n n随着磁场的旋转，吸引转子磁极随之旋转。随着磁场的旋转，吸引转子磁极随之旋转。n n磁场顺时针旋转，电机顺时针旋转：磁场顺时针旋转，电机顺时针旋转：123456123456n n磁场逆时针旋转，电机顺时针旋转：磁场逆时针旋转，电机顺时针旋转：6543216543
7、21n n1 1.A+B- .A+B- 2. 2.C+B- C+B- 3. 3.C+A- C+A- 4. 4.B+A- B+A- 5. 5. B+C- B+C- 6. 6.A+C-A+C-2）如何实现换相？）如何实现换相？n n1 1.A+B- .A+B- 2.2.C+B- C+B- 3. 3.C+A- C+A- 4.4.B+A- B+A- 5.5. B+C- B+C- 6.6.A+C-A+C-n n必须换相才能实现磁场的旋转，如果根据转子磁极的必须换相才能实现磁场的旋转，如果根据转子磁极的位置换相，并在换相时满足定子磁势和转子磁势相互位置换相，并在换相时满足定子磁势和转子磁势相互垂直的条件，
8、就能取得最大转矩。垂直的条件，就能取得最大转矩。n n要想根据转子磁极的位置换相，换相时就必须知道转要想根据转子磁极的位置换相，换相时就必须知道转子的位置，但并不需要连续的位置信息，只要知道换子的位置，但并不需要连续的位置信息，只要知道换相点的位置即可。相点的位置即可。n n在在BLDCBLDC中，一般采用中，一般采用3 3个开关型霍尔传感器测量转子个开关型霍尔传感器测量转子的位置。由其输出的的位置。由其输出的3 3位二进制编码去控制逆变器中位二进制编码去控制逆变器中6 6个功率管的导通实现换相。个功率管的导通实现换相。开关型霍尔传感器开关型霍尔传感器 n n霍尔元件霍尔元件+ +信号处理电路
9、信号处理电路= =霍尔传感器霍尔传感器n n利用霍尔效应，当施加的磁场达到利用霍尔效应，当施加的磁场达到“ “动作点动作点” ”时，时，OCOC门输出低电压，称这种状态为门输出低电压，称这种状态为“ “开开” ”; ;n n当施加磁场达到当施加磁场达到“ “释放点释放点” ” 使使OCOC门输出高电压，门输出高电压，称其为称其为“ “关关” ”n n基于这个原理，可制成接近开关。基于这个原理，可制成接近开关。 n n如果将一只霍尔传感器安装在靠近转子的位置，当如果将一只霍尔传感器安装在靠近转子的位置，当N N极逐渐靠近极逐渐靠近霍尔传感器即磁感应强度达到一定值时，其输出是导通状态；霍尔传感器即
10、磁感应强度达到一定值时，其输出是导通状态；n n当当N N极逐渐离开霍尔传感器、磁感应强度逐渐减小时，其输出仍极逐渐离开霍尔传感器、磁感应强度逐渐减小时，其输出仍然保持导通状态；只有磁场转变为然保持导通状态；只有磁场转变为S S极并达到一定值时，其输出极并达到一定值时，其输出才翻转为截止状态。才翻转为截止状态。n n在在S-NS-N交替变化磁场下，传感器输出波形占高、低电平各占交替变化磁场下，传感器输出波形占高、低电平各占50%50%。n n如果转子是一对极，则电机旋转一周霍尔传感器输出一个周期的如果转子是一对极，则电机旋转一周霍尔传感器输出一个周期的电压波形，如果转子是两对极，则输出两个周期
11、的电压波形。电压波形，如果转子是两对极，则输出两个周期的电压波形。n n直流无刷电机中一般安装直流无刷电机中一般安装3 3个霍尔传感器，间隔个霍尔传感器，间隔120120度或度或6060度按圆周分布。度按圆周分布。n n如果间隔如果间隔120120度，则度，则3 3个霍尔传感器的输出波形相差个霍尔传感器的输出波形相差120120度度电角度；电角度；n n输出信号为高、低电平各占输出信号为高、低电平各占180180度电角度。度电角度。n n如果规定输出信号高电平为如果规定输出信号高电平为“ “1 1” ”，低电平为，低电平为“ “0 0” ”，则输，则输出的三个信号可用出的三个信号可用3 3位二
12、进制编码表示。位二进制编码表示。100 000 001 011 111 110 100 000 001 011 111 110n n如果间隔如果间隔6060度，则输出波形相差度，则输出波形相差6060度电角度。度电角度。n n间隔间隔120120度与度与6060度的二进制编码是不同的。度的二进制编码是不同的。例：假定定子绕组为例：假定定子绕组为例：假定定子绕组为例：假定定子绕组为3 3相，转子为相，转子为相，转子为相，转子为2 2对极，对极，对极，对极，3 3个霍尔传感器间个霍尔传感器间个霍尔传感器间个霍尔传感器间隔隔隔隔 6060度按圆周分布，由度按圆周分布，由度按圆周分布，由度按圆周分布，
13、由6 6只晶体管组成的桥式电路给电机供只晶体管组成的桥式电路给电机供只晶体管组成的桥式电路给电机供只晶体管组成的桥式电路给电机供电，分析其换相过程。电，分析其换相过程。电，分析其换相过程。电，分析其换相过程。从霍尔传感器输出的二进制编码控制6个功率管的导通，可由逻辑电路实现，也可由软件编程实现。1.A+C- 2.A+B- 3.C+ B- 4.C+A- 5.B+A- 6. B+C- 1.A+B- 2.A+C- 3. B+C- 4. B+A- 5.C+ A- 6 .C+B- n每相绕组中电流是正负交替的 n n由逆变器提供与电动势严格同相的方波电流由逆变器提供与电动势严格同相的方波电流n n直流有
14、刷电机绕组中的电流实际上也是直流有刷电机绕组中的电流实际上也是正负交替的 ，只是从电刷外部看电流是单方向的。n n直流有刷电机通过换向机构换向，直流无刷电机直流有刷电机通过换向机构换向，直流无刷电机通过霍尔开关及逆变器换相。通过霍尔开关及逆变器换相。3）如何实现力矩的控制？）如何实现力矩的控制？n n按照电机统一规律，必须保证按照电机统一规律，必须保证s-rs-r为为9090度，才能取得最大转矩。度，才能取得最大转矩。n n因旋转磁场是因旋转磁场是6060度增量，看来无法实现这个关系。度增量，看来无法实现这个关系。n n但通过适当的安排可实现平均但通过适当的安排可实现平均9090度的关系。度的
15、关系。n n如果每一步都使离转子磁极如果每一步都使离转子磁极120120度的定子磁势所对应的绕组导通，度的定子磁势所对应的绕组导通，并且当转子转过并且当转子转过6060度后换相，如此重复每一步，则可使定子磁势度后换相，如此重复每一步，则可使定子磁势与转子磁势相差与转子磁势相差60-12060-120度，平均度，平均9090度。度。BLDC电机n每一个定子绕组回路与DC电机电枢回路是类似的。n但其电压和电流都是在每半个电周期中仅导通120度。n电机制作时保证其绕组内反电势为梯形波，但平顶部分与电压和电流同时出现，其极性也与电压和电流一致。n从功率平衡的角度考虑 T=EaIa+EbIb+EcIcn
16、又因为E=Ke,且在所有的时间都有两相绕组流过相同电流， T=2KeIa可见，力矩与定子绕组电流成正比，改变电流即改变力矩。力矩的波动力矩的波动n n换相转矩脉动：换相转矩脉动：每次换向时，由于绕组电感的作用电流不每次换向时，由于绕组电感的作用电流不能突变，电流的过渡过能突变，电流的过渡过 程程 产生力矩波动。产生力矩波动。n n由于转矩存在波动，限制了它在高精度的速度、位置控制由于转矩存在波动，限制了它在高精度的速度、位置控制系统中的应用。系统中的应用。4）如何实现速度的控制？）如何实现速度的控制？n n改变定子绕组电压的幅值即能改变电机速度。3、电机特性、电机特性n n在BLDC电机中，力
17、矩正比于电流，速度正比于电压，反电势正比于电机转速，因此其控制特性与机械特性均与直流电机基本相同。BLDC电机的机械特性曲线电机的机械特性曲线 n n在连续工作区，电机可被加载直至额定转矩在连续工作区，电机可被加载直至额定转矩Tr.Tr.n n在电机起停阶段，需要额外的力矩克服负载惯性。这时可在电机起停阶段，需要额外的力矩克服负载惯性。这时可使其短时工作在短时工作区，只要其不超过电机峰值力矩使其短时工作在短时工作区，只要其不超过电机峰值力矩TpTp且在特性曲线之内即可。且在特性曲线之内即可。4、PWM控制技术控制技术n n为了使为了使BLDC BLDC 电机速度可变，必须在绕组的两端电机速度可
18、变，必须在绕组的两端加可变电压。加可变电压。n n利用利用PWMPWM控制技术，通过控制控制技术，通过控制PWM PWM 信号的不同信号的不同占空比，则绕组上平均电压可以被控制，从而控占空比，则绕组上平均电压可以被控制，从而控制电机转速。制电机转速。n n在控制系统中采用在控制系统中采用DSPDSP或单片机时，可利用器件或单片机时，可利用器件中的中的PWMPWM产生模块产生产生模块产生PWMPWM波形。波形。n n根据转速要求设定占空比，然后输出根据转速要求设定占空比，然后输出6 6路路PWMPWM信信号，加到号，加到6 6个功率管上。个功率管上。n n以以dsPIC30F2010dsPIC3
19、0F2010单片机为例：单片机为例：dsPIC30F2010的的PWM 模块模块当下桥臂的功率管由导通到关断时，上桥臂的功率管延时一段时间再由关断到导通，以防止桥臂直通。这个延时时间称为”死区”。死区可通过编程改变。n nMCPWMMCPWM的的PWMPWM时基模块中有一个专用的时基模块中有一个专用的1616位位PTMRPTMR计计数器和一个数器和一个PTPER PTPER 数字寄存器，数字寄存器，PTMRPTMR对定时时钟计数，对定时时钟计数，PTPERPTPER中置入的数字确定了中置入的数字确定了PWMPWM信号的周期。信号的周期。PTMRPTMR计计数器启动计数后，其计数值与数器启动计数
20、后，其计数值与PTPERPTPER中置入的数字值比中置入的数字值比较，两者一致时，就输出一个周期的较，两者一致时，就输出一个周期的PWMPWM信号。改变信号。改变PTPERPTPER的值，就可以方便的改变计数的周期，这样就可的值，就可以方便的改变计数的周期，这样就可以以改变改变PWMPWM波形的频率。波形的频率。n nPWM PWM 发生器发生器# #中中PDCPDC数字寄存器中置入的数字确定了数字寄存器中置入的数字确定了PWMPWM信号的占空比。比较器将设定的比较值信号的占空比。比较器将设定的比较值PDC*:PDC*:与与PTMRPTMR计数值相比较，产生计数值相比较，产生PWMPWM波形的
21、跳变。只要实时改波形的跳变。只要实时改变比较器的值，就可以改变单位周期内高电平或者低电平变比较器的值，就可以改变单位周期内高电平或者低电平的脉冲宽度，的脉冲宽度，产生占空比可调的产生占空比可调的PWMPWM波形波形。n n通过占空比比较产生的三个输出将被分别传输给死区置入通过占空比比较产生的三个输出将被分别传输给死区置入及输出寄存器，可以在高电平变低与低电平变高之间插入及输出寄存器，可以在高电平变低与低电平变高之间插入一段死区。以防止输出驱动器发生意外的直通现象。一段死区。以防止输出驱动器发生意外的直通现象。n n特殊函数寄存器特殊函数寄存器OVDCONDOVDCOND中的各位中的各位 直接控
22、制直接控制6 6个个PWMPWM输出通道。当位为输出通道。当位为1 1时，已建立的占空比信号出现在该位时，已建立的占空比信号出现在该位所对应的输出通道上，当位为所对应的输出通道上，当位为0 0时，其输出被禁止。时，其输出被禁止。n nOVDCONDOVDCOND寄存器的值由霍尔传感器输出的二进制编码绕寄存器的值由霍尔传感器输出的二进制编码绕组通电顺序决定。组通电顺序决定。A+C- A+B- C+B- C+A- B+A- B+C- 例例1 由单片机控制的由单片机控制的BLDC系统：系统：SI9979特点特点n n霍尔传感器输入信号处理，60及120度间隔选择，提供霍尔传感器电源。n n自动换相功能n n集成逆变器高端驱动n nPWM输入及处理n n电流限制，欠电压保护n n20到40电源电压例例3: 由由DSP控制的控制的BLDC系统系统BLDC的特点的特点n n与DC电机比较：由于没有电刷的机械摩擦，使其具有高可靠性、高效率、免维护、无噪声、高速度范围、容易散热等优点。n n与ASMS电机比较：控制简单，成本低。n n力矩波动比DC电机及ASMS电机大。n n适应于对制造成本较敏感，而对性能要求不是特别高的场合。思考题思考题1.1.说明BLDC的旋转磁场是如何产生的2.2.与直流伺服电机和交流永磁伺服电机比较，直流无刷伺服电机有什么特点？
