直流無刷電機及其驅(qū)動技術(shù)

1、PMSM的問題,控制比直流伺服電機要復雜的多；要想實現(xiàn)力矩控制，必須有角位置傳感器，以測量d-q坐標系的旋轉(zhuǎn)角；反電勢必須是正弦波的，這對電機制造及工藝提出了較高的要求。,反電勢必須是正弦波的才能產(chǎn)生正弦電流,3.3 無刷直流電動機 （Brushless Direct Current Motor ,BLDC）,1、無刷直流電動機結(jié)構(gòu)2、無刷直流電動機工作原理3、無刷直流電動機電機特性4、PWM控制技術(shù),1. 結(jié)構(gòu),由定子、

2、轉(zhuǎn)子、位置傳感器及換相電路組成 定子采用疊片結(jié)構(gòu)并在槽內(nèi)鋪設(shè)繞組的方式 定子繞組多采用三相并以星形方式連接,,將永磁體貼裝在非導磁材料表面或鑲嵌在其內(nèi)構(gòu)成。大部分BLDC采用表面安裝方式。多為2到3對極的。磁性材料多采用具有高磁通密度的稀土材料，如銣鐵硼等,,,結(jié)構(gòu)上BLDC與PMSM有些相似，但有兩點不同：BLDC的轉(zhuǎn)子磁極經(jīng)專門的磁路設(shè)計，可獲得梯形波的氣隙磁場。而 PMSM的氣隙磁場是正弦波的。BLDC的定子繞組結(jié)構(gòu)

3、使之產(chǎn)生的反電勢是梯形波的。而 PMSM繞組結(jié)構(gòu)產(chǎn)生正弦型的反電勢。,PMSM定子繞組產(chǎn)生正弦型的反電勢,BLDC的定子繞組產(chǎn)生的反電勢是梯形波,附：電角度和機械角度,,機械角度是指電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度,由Θm表示；電角度是指磁場的旋轉(zhuǎn)角度，由Θe表示。當轉(zhuǎn)子為一對極時，Θm=Θe；當轉(zhuǎn)子為n對極時，Θe=nΘm。,,2. 工作原理,1）旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生 假定電機定子為3相6極，星型連接。轉(zhuǎn)子為一對極。,,,電流方向不同時

4、，產(chǎn)生的磁場方向不同。若繞組的繞線方向一致，當電流從A相繞組流進，從B相繞組流出時，電流在兩個繞組中產(chǎn)生的磁動勢方向是不同的。,6步通電順序,,三相繞組通電遵循如下規(guī)則： 每步三個繞組中一個繞組流入電流，一個繞組流出電流，一個繞組不導通；通電順序如下： 1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C-,,,6步通電順序,,1.A+B- 2.C+B-

5、 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C- 每步磁場旋轉(zhuǎn)60度，每6步旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)一周；每步僅一個繞組被換相。,,,6步通電順序,隨著磁場的旋轉(zhuǎn)，吸引轉(zhuǎn)子磁極隨之旋轉(zhuǎn)。磁場順時針旋轉(zhuǎn)，電機順時針旋轉(zhuǎn)：1→2→3→4→5→6磁場逆時針旋轉(zhuǎn)，電機順時針旋轉(zhuǎn)：6→5→4→3→2→11.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C-,2）

6、如何實現(xiàn)換相？,1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C-必須換相才能實現(xiàn)磁場的旋轉(zhuǎn)，如果根據(jù)轉(zhuǎn)子磁極的位置換相，并在換相時滿足定子磁勢和轉(zhuǎn)子磁勢相互垂直的條件，就能取得最大轉(zhuǎn)矩。要想根據(jù)轉(zhuǎn)子磁極的位置換相，換相時就必須知道轉(zhuǎn)子的位置，但并不需要連續(xù)的位置信息，只要知道換相點的位置即可。在BLDC中，一般采用3個開關(guān)型霍爾傳感器測量轉(zhuǎn)子的位置。由其輸出的3位二進

7、制編碼去控制逆變器中6個功率管的導通實現(xiàn)換相。,開關(guān)型霍爾傳感器,霍爾元件+信號處理電路=霍爾傳感器利用霍爾效應(yīng)，當施加的磁場達到“動作點”時，OC門輸出低電壓，稱這種狀態(tài)為“開”;當施加磁場達到“釋放點” 使OC門輸出高電壓，稱其為“關(guān)”基于這個原理，可制成接近開關(guān)。,如果將一只霍爾傳感器安裝在靠近轉(zhuǎn)子的位置，當N極逐漸靠近霍爾傳感器即磁感應(yīng)強度達到一定值時，其輸出是導通狀態(tài)；當N極逐漸離開霍爾傳感器、磁感應(yīng)強度逐漸減小時，其

8、輸出仍然保持導通狀態(tài)；只有磁場轉(zhuǎn)變?yōu)镾極并達到一定值時，其輸出才翻轉(zhuǎn)為截止狀態(tài)。在S-N交替變化磁場下，傳感器輸出波形占高、低電平各占50%。如果轉(zhuǎn)子是一對極，則電機旋轉(zhuǎn)一周霍爾傳感器輸出一個周期的電壓波形，如果轉(zhuǎn)子是兩對極，則輸出兩個周期的電壓波形。,,,,直流無刷電機中一般安裝3個霍爾傳感器，間隔120度或60度按圓周分布。如果間隔120度，則3個霍爾傳感器的輸出波形相差120度電角度；輸出信號中高、低電平各占180度電角度

9、。如果規(guī)定輸出信號高電平為“1”，低電平為“0”，則輸出的三個信號可用3位二進制編碼表示。,,,100 000 001 011 111 110 100 000 001 011 111 110,如果間隔60度，則輸出波形相差60度電角度。間隔120度與60度的二進制編碼是不同的。,例：假定定子繞組為3相，轉(zhuǎn)子為2對極，3個霍爾傳感器間隔 60度按圓周分布，由6只晶體管組成的橋式電路給電機供電，分析其換相過程。,從

10、霍爾傳感器輸出的二進制編碼控制6個功率管的導通，可由邏輯電路實現(xiàn)，也可由軟件編程實現(xiàn)。,,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- 每相繞組中電流是正負交替的 由逆變器提供與電動勢嚴格同相的方波電流,,直流有刷電機繞組中的電流實際上也是正負交替的 ，只是從電刷外部看電

11、流是單方向的。直流有刷電機通過換向機構(gòu)換向，直流無刷電機通過霍爾開關(guān)及逆變器換相。,3）如何實現(xiàn)力矩的控制？,按照電機統(tǒng)一規(guī)律，必須保證θs-θr為90度，才能取得最大轉(zhuǎn)矩。因旋轉(zhuǎn)磁場是60度增量，看來無法實現(xiàn)這個關(guān)系。但通過適當?shù)陌才趴蓪崿F(xiàn)平均90度的關(guān)系。如果每一步都使離轉(zhuǎn)子磁極120度的定子磁勢所對應(yīng)的繞組導通，并且當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過60度后換相，如此重復每一步，則可使定子磁勢與轉(zhuǎn)子磁勢相差60-120度，平均90度。,,BLDC

12、電機,每一個定子繞組回路與DC電機電樞回路是類似的。但其電壓和電流都是在每半個電周期中僅導通120度。電機制作時保證其繞組內(nèi)反電勢為梯形波，但平頂部分與電壓和電流同時出現(xiàn)，其極性也與電壓和電流一致。從功率平衡的角度考慮 Tω=EaIa+EbIb+EcIc又因為E=Keω,且在所有的時間都有兩相繞組流過相同電流， T=2KeIa可見，力矩與定子繞

13、組電流成正比，改變電流即改變力矩。,力矩的波動,換相轉(zhuǎn)矩脈動：每次換向時，由于繞組電感的作用電流不能突變，電流的過渡過 程 產(chǎn)生力矩波動。由于轉(zhuǎn)矩存在波動，限制了它在高精度的速度、位置控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。,4）如何實現(xiàn)速度的控制？,改變定子繞組電壓的幅值即能改變電機速度。,3、電機特性,在BLDC電機中，力矩正比于電流，速度正比于電壓，反電勢正比于電機轉(zhuǎn)速，因此其控制特性與機械特性均與直流電機基本相同。,BLDC電機的機械特性曲線,在連

14、續(xù)工作區(qū)，電機可被加載直至額定轉(zhuǎn)矩Tr.在電機起停階段，需要額外的力矩克服負載慣性。這時可使其短時工作在短時工作區(qū)，只要其不超過電機峰值力矩Tp且在特性曲線之內(nèi)即可。,4、PWM控制技術(shù),為了使BLDC 電機速度可變，必須在繞組的兩端加可變電壓。利用PWM控制技術(shù)，通過控制PWM 信號的不同占空比，則繞組上平均電壓可以被控制，從而控制電機轉(zhuǎn)速。在控制系統(tǒng)中采用DSP或單片機時，可利用器件中的PWM產(chǎn)生模塊產(chǎn)生PWM波形。根據(jù)轉(zhuǎn)速

15、要求設(shè)定占空比，然后輸出6路PWM信號，加到6個功率管上。以dsPIC30F2010單片機為例：,,,dsPIC30F2010的PWM 模塊,,,當下橋臂的功率管由導通到關(guān)斷時，上橋臂的功率管延時一段時間再由關(guān)斷到導通，以防止橋臂直通。這個延時時間稱為”死區(qū)”。死區(qū)可通過編程改變。,,MCPWM的PWM時基模塊中有一個專用的16位PTMR計數(shù)器和一個PTPER 數(shù)字寄存器，PTMR對定時時鐘計數(shù)，PTPER中置入的數(shù)字確定了PWM

16、信號的周期。PTMR計數(shù)器啟動計數(shù)后，其計數(shù)值與PTPER中置入的數(shù)字值比較，兩者一致時，就輸出一個周期的PWM信號。改變PTPER的值，就可以方便的改變計數(shù)的周期，這樣就可以改變PWM波形的頻率。PWM 發(fā)生器#中PDC數(shù)字寄存器中置入的數(shù)字確定了PWM信號的占空比。比較器將設(shè)定的比較值PDC*:與PTMR計數(shù)值相比較，產(chǎn)生PWM波形的跳變。只要實時改變比較器的值，就可以改變單位周期內(nèi)高電平或者低電平的脈沖寬度，產(chǎn)生占空比可調(diào)的PW

17、M波形。通過占空比比較產(chǎn)生的三個輸出將被分別傳輸給死區(qū)置入及輸出寄存器，可以在高電平變低與低電平變高之間插入一段死區(qū)。以防止輸出驅(qū)動器發(fā)生意外的直通現(xiàn)象。特殊函數(shù)寄存器OVDCOND中的各位 直接控制6個PWM輸出通道。當位為1時，已建立的占空比信號出現(xiàn)在該位所對應(yīng)的輸出通道上，當位為0時，其輸出被禁止。,,OVDCOND寄存器的值由霍爾傳感器輸出的二進制編碼繞組通電順序決定。,A+C- A+B- C+B- C+A-

18、 B+A- B+C-,例1 由單片機控制的BLDC系統(tǒng)：,例2 單片三相無刷直流電動機控制器SI9979,SI9979特點,霍爾傳感器輸入信號處理，60及120度間隔選擇，提供霍爾傳感器電源。自動換相功能集成逆變器高端驅(qū)動PWM輸入及處理電流限制，欠電壓保護20到40電源電壓,例3: 由DSP控制的BLDC系統(tǒng),,,BLDC的特點,與DC電機比較：由于沒有電刷的機械摩擦，使其具有高可靠性、高效率、免維護、無噪聲、高速度范