1、直流無刷電動機及其調(diào)速控制1 .直流無刷電動機的發(fā)展概況與應(yīng)用有刷直流電動機從19世紀(jì)40年代出現(xiàn)以來，以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩控制特性，在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)一直在運動控制領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。但是，有機械接觸電刷-換向器一直是電流電機的一個致命弱點，它降低了系統(tǒng)的可靠性，限制了其在很多場合中的使用。為了取代有刷直流電動機的機械換向裝置，人們進行了長期的探索。早在1917年，Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流電動機的機械電刷，從而誕生了無刷直流電機的基本思想。1955年美國的D.Harrison等首次申請了用晶體管換相線路代替有刷直流電動機的機械電刷的專利，標(biāo)志著現(xiàn)代無刷直流電動機的誕生。無刷直流電

2、動機的發(fā)展在很大程度上取決于電力電子技術(shù)的進步，在無刷直流電動機發(fā)展的早期，由于當(dāng)時大功率開關(guān)器件僅處于初級發(fā)展階段，可靠性差，價格昂貴，加上永磁材料和驅(qū)動控制技術(shù)水平的制約，使得無刷直流電動機自發(fā)明以后的一個相當(dāng)長的時間內(nèi)，性能都不理想，只能停留在實驗室階段，無法推廣使用。1970年以后，隨著電力半導(dǎo)體工業(yè)的飛速發(fā)展，許多新型的全控型半導(dǎo)體功率器件（如GTR、MOSFET、IGBT等）相繼問世，加之高磁能積永磁材料（如SmCo、NsFeB）陸續(xù)出現(xiàn)，這些均為無刷直流電動機廣泛應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。在1978年漢諾威貿(mào)易博覽會上，前聯(lián)邦德國的MANNESMANN公司正式推出了MAC無刷直流電動

3、機及其驅(qū)動器，引起了世界各國的關(guān)注，隨即在國際上掀起了研制和生產(chǎn)無刷直流系統(tǒng)的熱潮，這業(yè)標(biāo)志著無刷直流電動機走向?qū)嵱秒A段。隨著現(xiàn)代永磁材料和相關(guān)電子元器件的性能不斷提高，價格不斷下降，無刷電動機的到了快速發(fā)展，并被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，例如，在數(shù)控機床、工業(yè)機器人以及醫(yī)療器械、儀器儀表、化工、輕紡機械和家用電器等小功率場合，計算機的硬盤驅(qū)動和軟盤驅(qū)動器器中的主軸電動機、錄像機中的伺服電動機等。2 .直流無刷電動機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理4尚而贊圖2-1無刷直流電機機構(gòu)示意圖2.1 直流無刷電動機的結(jié)構(gòu)直流無刷電動機的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-1所示。無刷直流電動機由它是由電動機本體、位置檢測器、逆變器和控制

4、器組成。無刷直流電動機最初的設(shè)計思想來自普通的有刷直流電動機，不同的是將直流電動機的定子、轉(zhuǎn)子位置進行了互換，其轉(zhuǎn)子為永磁結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生氣隙磁通；定子為電樞，有多相對稱繞組。原直流電動機的電刷和機械換向器被逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測器所代替所以無刷直流電動機的電機本體實際上是一種永磁同步電機。由于無刷直流電動機的電機本體為永磁電機，所以無刷直流電動機也稱為永磁無刷直流電動機。目前，無刷直流電動機的逆變器主開關(guān)一般采用IGBT或功率MOSFET等全控型器件，有些主電路已有集成的功率模塊（PIC）和智能功率模塊（IPM）,選用這些模塊可以提高系統(tǒng)的可靠性。位置檢測器的作用是檢測轉(zhuǎn)子磁極相對與定子繞組的位置信

5、號，為逆變器提供正確的換相信息。位置檢測包括有位置傳感器和無位置傳感器檢測兩種方式。控制器是無刷直流電動機正常運行并實現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心，主要用于實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)及停車控制、電機開環(huán)調(diào)速以及實現(xiàn)短路、過流、過電壓和欠電壓等故障保護電路。2.2 直流無刷電動機的工作原理普通直流電動機的電樞在轉(zhuǎn)子上，而定子產(chǎn)生固定不動的磁場。為了使直流電動機旋轉(zhuǎn)，需要通過換向器和電刷不斷的改變電樞繞組中電流的方向，使兩個磁場的方向始終保持相互垂直，從而產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動電動機不斷旋轉(zhuǎn)。無刷直流機為了去掉電刷，將電樞放到定子上去，而轉(zhuǎn)子做成永磁體，這樣的結(jié)構(gòu)正好與普通電動機相反。然而即使這樣改變還不夠，因

6、為定子上的電樞通入直流電以后，只能產(chǎn)生不變的磁場電動機依然轉(zhuǎn)不起來。為了使電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)起來，必須使定子電樞各相繞組不斷地?fù)Q相通電，這樣才能使定子磁場隨著轉(zhuǎn)子的位置不斷地變化，使定子磁場與轉(zhuǎn)子永磁磁場始終保持90°左右的空間角，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。在換相的過程中，定子各項繞組在工作氣隙中所形成的旋轉(zhuǎn)磁場是跳躍式運動。這種旋轉(zhuǎn)磁場在一周有三種狀態(tài)，每種狀態(tài)持續(xù)1200。它們跟蹤轉(zhuǎn)子，并與轉(zhuǎn)子的磁場相互作用，能夠產(chǎn)生推動轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)矩。下面以三相定子繞組接成星形為例說明其驅(qū)動原理。圖2-2為無刷直流電動機逆變驅(qū)動單元邏輯電路柵極驅(qū)動電路圖2-2無刷直流電動機組成原理圖組成原理圖。驅(qū)

7、動電路開關(guān)管的控制原理可用圖2-3加以說明。（圖中假設(shè)轉(zhuǎn)子只有一對磁極，定子繞組A、B、C三相對稱，按每極每相60°相帶分布）C'BN或IyA-f1_C(a)A相正向通電,C'BS方、NA'/卜-_-,1C(c)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)C'BS：產(chǎn)OkyVtA'-y，-C(e)B相正向通電，C'AbASSND,BA.B了x/1-rxCB相反向通電(b)轉(zhuǎn)過60°C'/x.ARSA,B®u"WIJjJvL-o1-Mr|：(SWk7/->B'A'，NB''£'3、

8、，-二X<XyT.yC(d)A相正向通電，C相反向通電轉(zhuǎn)過60°C'ABASj-iLtiJI-,''/./1A.N*B'A'.B')CC相反向通電(f)轉(zhuǎn)過60°C'C'CC2.3 B相正向通電，A相反向通電（h）轉(zhuǎn)過60。圖2-3無刷直流機轉(zhuǎn)子位置與換相的關(guān)系假設(shè)當(dāng)轉(zhuǎn)子處于圖2-3（a）位置時為0。，相帶A'、B、C'在N級下，相帶A、B'、C在S級下，這時A相正向通電，B相反向通電，C相不通電，各相通電波形見圖1-3,產(chǎn)生的定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場相互作用，使轉(zhuǎn)子逆時針恒速轉(zhuǎn)動。當(dāng)轉(zhuǎn)

9、過60。角后，轉(zhuǎn)子位置如圖（b）所示。這時如果轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)下去就進入圖（c）所示的位置，這樣就會使同一磁極下的電樞繞組中有部分導(dǎo)體的電流方向不一致，它們互相抵消，削弱磁場，使電磁轉(zhuǎn)矩減小。因此，為了避免出現(xiàn)這樣的結(jié)果，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到圖（b）的位置時，就必須換相，使B相斷電，C相反相通電。轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)過60。角后到圖（d）所示位置。根據(jù)上面講的道理必須要進行換相，即A相斷電，B相正相通電，（e）所示。轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過60。角，如圖（f）所示位置，再進行換相，使C相斷電，A相反向通電，如圖（g）所示。這樣如此下去，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60。角就換相一次，相電流按圖所示的順序進行斷電和通電，電動機就會平穩(wěn)地旋轉(zhuǎn)下去。

10、3 .直流無刷電動機的的運行特性和及基于DSP®制器調(diào)速原理設(shè)轉(zhuǎn)子永久磁鐵所產(chǎn)生的磁場在電動機氣隙中是按正弦分布，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角為時，BBmsin。當(dāng)定子繞組某相通過直流電流時，電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為：TaZDLBmrIsin（1）式中，Zd為相導(dǎo)體數(shù)；L為導(dǎo)體的有效長度；Bm為氣隙磁通最大值；r為氣隙半徑；I為定子繞組相電流。無刷直流機的電壓平衡方程式為：U UEa IR (2)Ea Ken TaKt I(4)則可寫出機械特性方程式為：(U U) R 丁n Ta n°nKe KeKT(5)式中,Un為電動機轉(zhuǎn)速，r/min ；為直流電源電壓，V;U為功率晶體管壓降，V;Ta為電動機

11、轉(zhuǎn)矩平均值，N?M ;為電動機內(nèi)阻,Ke、Kt分別為電勢系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)。和直流電動機一樣，當(dāng) U變化時即改變n0 ,電動機可以進行無級調(diào)速。但實際的無刷直流機調(diào)速系統(tǒng)是由電子換向線路和轉(zhuǎn)子位置檢測器代替?zhèn)鹘y(tǒng)直流電動機的機械換向裝置而組成的，把檢測到的端電壓信號送到DSP計算出電動機的轉(zhuǎn)速，再與給定的轉(zhuǎn)速比較，輸出PWM1號，控制開關(guān)管的通斷，從而控制電動 機電流（電壓）大小，是電動機的轉(zhuǎn)速變化。其調(diào)速原理是通過電子開關(guān)把交變 的方波電流送入定子繞組，由開關(guān)頻率的變化引起電動機轉(zhuǎn)速的變化。 其控制系 統(tǒng)原理框圖如圖3-1。圖3-1系統(tǒng)控制框圖4 .直流無刷電動機及其調(diào)速系統(tǒng)的特點(1)稀土永磁方波同步電動機通入逆變器供給的、與電動勢同相的120。方波電流，就組成了無刷直流電動機。它比正弦波電動機出力大，且理論上無電磁轉(zhuǎn)矩脈動現(xiàn)象。(2)無刷直流電動機調(diào)速原理和一般直流電動機相同，組成的調(diào)速系統(tǒng)類似，并且可以借鑒傳統(tǒng)伺服系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)驗，因此，容易被人