無刷直流電機(jī)的原理及控制系統(tǒng)
一、無刷電動(dòng)機(jī)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理
三相永磁無刷電動(dòng)機(jī)和一般的永磁有刷電動(dòng)機(jī)相比，在結(jié)構(gòu)上有很多相近或相似之處。用裝有永磁體的轉(zhuǎn)子取代有刷電動(dòng)機(jī)的定子磁極，用具有三相繞組的定子取代電樞，用逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器組成的電子換相器取代有刷電機(jī)的機(jī)械換相器和電刷，就得到了三相永磁無刷電動(dòng)機(jī)。
1、無刷電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
無刷電動(dòng)機(jī)屬于三相永磁同步電機(jī)的范疇，永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)來自電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的****磁鐵。在這里，****磁鐵的特性，在很大程度上決定電動(dòng)機(jī)的特性。目前采用的永磁材料主要有鐵淦氧、鋁鎳鈷、釹鐵硼、等 根據(jù)幾種的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度成線性關(guān)系這一特點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛的就是釹鐵硼。它的線性關(guān)系范圍****，被稱為第三代稀土永磁合金。 在轉(zhuǎn)子上安置永磁鐵的方式有兩種：一種是將成型的****磁鐵裝在轉(zhuǎn)子表面，即所謂外裝式；另一種是將成型的****磁鐵埋入轉(zhuǎn)子里面，即所謂內(nèi)裝式。根據(jù)****磁鐵安裝方法不同，****磁鐵的形狀可分為扇形和矩形兩種。扇形磁鐵構(gòu)造的轉(zhuǎn)子具有電樞電感小、齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩小的優(yōu)點(diǎn)，但易受電樞反應(yīng)的影響。且由于磁通不可能集中、氣隙磁密度低，電極呈現(xiàn)凸的特性。矩形磁鐵構(gòu)造的轉(zhuǎn)子呈現(xiàn)凸極特性，電電感大、齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩大，但磁通可集中，形成高磁通密度，故適于大容量電機(jī)，由于電動(dòng)機(jī)呈現(xiàn)凸極特性，可以利用磁阻轉(zhuǎn)矩，此外，這種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的****磁鐵，不易飛出，故可作高速電機(jī)使用。 根據(jù)確定的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的每相勵(lì)磁通勢(shì)合布不同，三相永磁同步電機(jī)可分為兩種類型：正弦波形和方波形永磁同步電機(jī)，前者每相勵(lì)磁磁通勢(shì)分布是正弦波形，后者每相則是方波狀，根據(jù)磁路結(jié)構(gòu)和永磁體形狀的不同而不同，對(duì)于徑向勵(lì)磁結(jié)構(gòu)，永磁體直接面向均勻氣隙如果采用稀大材料，由于采用非均勻氣隙或非均勻磁場(chǎng)化方向長(zhǎng)度的永磁體的徑向勵(lì)磁結(jié)構(gòu)，氣隙磁場(chǎng)波形可以實(shí)現(xiàn)正弦分布。 應(yīng)該指出稀士永磁方波形電機(jī)屬于永磁無刷直流電機(jī)的范疇，而稀土永磁體正弦波形電動(dòng)機(jī)則一般作為三相交流永磁同步伺服電機(jī)使用。但這不是****的，究竟是三相永磁直流無刷電動(dòng)機(jī)還是三相永磁交流同步電機(jī)，主要決定于電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)的方式，取決于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置傳感器的類型。
2、三相永磁直流無刷電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置傳感器
永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)都屬于自控式變頻系統(tǒng)，就是說電動(dòng)機(jī)的換相狀態(tài)是由轉(zhuǎn)子的位置決定的，電動(dòng)機(jī)的控制頻率是由轉(zhuǎn)子的運(yùn)行速度決定的，這就需要轉(zhuǎn)子的位置檢測(cè)器。轉(zhuǎn)子的位置檢測(cè)器有多種，正弦波永磁同步電機(jī)一般采用旋轉(zhuǎn)變壓器式、****式光電脈沖編碼器或增量式光電脈沖編碼器作為位置檢測(cè)器。而在永磁直流無刷電動(dòng)機(jī)（方波電動(dòng)機(jī)）中，一般采用簡(jiǎn)易型的位置檢測(cè)器，該器件不能用來檢測(cè)轉(zhuǎn)子的精確位置，其檢測(cè)精度通常只有60 的電角度，其主要作用是為了滿足電動(dòng)機(jī)的換相要求。 位置傳感器是直流無刷電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)組件部分之一，也是區(qū)別于直流有刷電機(jī)和直流無刷電動(dòng)機(jī)的主要標(biāo)志。其作用是檢測(cè)主轉(zhuǎn)子在運(yùn)動(dòng)過程中的位置，將轉(zhuǎn)子磁鋼的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息。以控制它們的導(dǎo)通和截止，使電動(dòng)機(jī)電樞繞組中的電流隨著轉(zhuǎn)子位置的變化按次序換相。形成氣隙中步進(jìn)式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子連續(xù)不斷的旋轉(zhuǎn) 。 位置傳感器的種類很多，有電磁式、光電式、磁敏式等。它們各具特點(diǎn)，然而由于磁敏式霍耳位置傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、安裝靈活方便、易于機(jī)電一體化等優(yōu)點(diǎn)，故目前得到越來越廣泛的應(yīng)用。當(dāng)磁場(chǎng)中的導(dǎo)體有電流通過時(shí)，其橫向不受到力的作用，同時(shí)還出現(xiàn)電壓，這個(gè)現(xiàn)象后來被稱為霍耳效應(yīng)。隨后人們又發(fā)現(xiàn)，不僅是導(dǎo)體而且半導(dǎo)體中也存在霍耳效應(yīng)。并且霍耳電動(dòng)勢(shì)更明顯，這是由于半導(dǎo)體有比導(dǎo)體更大的霍耳系數(shù)的緣故。
霍耳傳感器按功能和應(yīng)用可分為線性型和開關(guān)型兩種
（1） 線性型 線性型傳感器是由電壓調(diào)整器、霍耳元件、差分放大器、輸出級(jí)等部分組成，輸入為變化的磁感應(yīng)強(qiáng)度得到與磁場(chǎng)強(qiáng)度成線性關(guān)系的輸出電壓，可用于磁場(chǎng)測(cè)量、電流測(cè)量、電壓測(cè)量等。
（2） 開關(guān)型 開關(guān)型傳感器是由電壓調(diào)整器、霍耳元件、差分放大器、施密特觸發(fā)器和輸出級(jí)等部分組成。輸入為磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出為開關(guān)信號(hào)。直流無刷電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器屬于開關(guān)型的傳感器。 直流無刷電機(jī)的霍耳位置傳感器和電機(jī)的本體一樣，也是由靜止部分和運(yùn)動(dòng)部分組成，即位置傳感器定子和傳感器轉(zhuǎn)子。其轉(zhuǎn)子與電機(jī)主轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)，以指示電動(dòng)機(jī)主轉(zhuǎn)子的位置，即可以直接利用電動(dòng)機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子，也可以在轉(zhuǎn)軸其它位置上另外安裝永磁轉(zhuǎn)子。定子由若干個(gè)霍耳元件，按一定的間隔，等距離的安裝在傳感器定子上，以檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。 位置傳感器的基本功能是在電動(dòng)機(jī)的每一個(gè)電周期內(nèi)，產(chǎn)生出所要求的開關(guān)狀態(tài)數(shù)。位置傳感器的永磁轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對(duì)磁極（N、S幾極）的轉(zhuǎn)角，也就是說每轉(zhuǎn)過360 電角度，就要產(chǎn)生出與電動(dòng)機(jī)繞組邏輯分配狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)數(shù)。以完成電動(dòng)的一個(gè)換流全過程，如果轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)越多，則在360 機(jī)械角內(nèi)完成該換流全過程的次數(shù)也就越多。
霍耳位置傳感器必須滿足以下兩個(gè)條件：
（1） 位置傳感器在一個(gè)電周期內(nèi)所產(chǎn)生的開關(guān)狀態(tài)是不重復(fù)的，每一個(gè)開關(guān)狀態(tài)所占的電角度相等。
（2） 位置傳感器在一個(gè)電周期內(nèi)所產(chǎn)生的開關(guān)狀態(tài)數(shù)應(yīng)和電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)數(shù)相對(duì)應(yīng)。 位置傳感器輸出的開關(guān)狀態(tài)能滿足以上條件，那么總可以通過一定的邏輯變換將位置傳感器的開關(guān)狀態(tài)與電動(dòng)機(jī)的換相狀態(tài)對(duì)應(yīng)起來，進(jìn)而完成換相。對(duì)于三相無刷直流電動(dòng)機(jī)，其位置傳感器的霍耳元件的數(shù)量是3，安裝位置應(yīng)當(dāng)間隔120 電角度，其輸出信號(hào)是Ha、Hb、Hc。
3、三相直流無刷電動(dòng)機(jī)的換相原理
三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出信號(hào)Ha、Hb、Hc在每360 電角度內(nèi)給出了6個(gè)代碼，按其順序排列，6個(gè)代碼是101、100、110、010、011、001。當(dāng)然這一順序與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向有關(guān)，如果轉(zhuǎn)向反了，代碼順序也就倒過來。三相永磁無刷電動(dòng)機(jī)的電子換相器主回路，也就是由6個(gè)功率開關(guān)元件組成的三相H形橋式逆變器。其中線A-X表示與A相繞組軸線相交的位置；線B-Y表示與B相繞組軸線相交的位置；線C-Z表示與C相繞組軸線相交的位置；顯然由A-X、B-Y、C-Z交叉形成了6個(gè)60 的扇區(qū)，我們也把此圖稱作“定子空間的扇區(qū)圖”。 可以通過兩種不同的途徑來分析無刷電動(dòng)機(jī)的換相過程，一是利用剛剛提到“定子空間示意圖”來分析換相過程；二是通過分析電動(dòng)機(jī)的三相反電動(dòng)勢(shì)來理解換相過程。 無論是從定子空間扇區(qū)圖還是從電動(dòng)機(jī)定子繞組的反電動(dòng)勢(shì)來分析三相無刷電動(dòng)機(jī)的換相過程。所得的開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)與轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系都是相同的。
三、無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制
對(duì)于無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，現(xiàn)有兩種方式：一種是利用前面所介紹的位置傳感器，經(jīng)過邏輯電路的處理發(fā)面換相控制信號(hào)。一種是利用測(cè)反電動(dòng)勢(shì)法，得知轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，然后送入譯碼器來控制三個(gè)H橋的導(dǎo)通。
開環(huán)型無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制：
其內(nèi)部包括電子換相器主回路，一三相H形橋式逆度器，換相控制邏輯電路。PWM調(diào)速電路，以及過流等保護(hù)電路。
（1） 換相控制邏輯電路。 三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出信號(hào)。 Ha.Hb.Hc.在每360 電角度給出6個(gè)代碼，換相控制邏輯電路接收轉(zhuǎn)子位置傳感器的輸出信號(hào)。Ha.Hb.Hc并對(duì)其進(jìn)行澤碼處理。給出電子換相器主回路（三相橋式逆度器）中6個(gè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。 三相霍耳輸出的信號(hào)，給出的6個(gè)代碼是101、100、110、010、011、001這一順序與電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向有關(guān)轉(zhuǎn)向有關(guān)，轉(zhuǎn)向反了。代碼出現(xiàn)的順序也就倒過來，所以，換相控制邏輯電路還應(yīng)當(dāng)接收電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向控制信號(hào)DIR，這也是一個(gè)邏輯信號(hào)，高電平控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)，低電平控制電機(jī)反轉(zhuǎn)。
（2） PWM調(diào)速電路。 無刷電機(jī)，加上電子換相器，（包括換向器的主回路一逆變器和換相控制邏輯電路），從原理上說，就相當(dāng)于一臺(tái)有刷電機(jī)也就是說，電子換相器解決了無刷電機(jī)換相問題，但沒有解決電動(dòng)機(jī)的調(diào)速問題，需要脈寬調(diào)制電路來實(shí)現(xiàn)。 由換相控制邏輯電路輸出的換相信號(hào)的頻率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)，還與電機(jī)的磙鋼極對(duì)數(shù)有關(guān)，無論何種情況下，換相控制信號(hào)的頻率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于PWM信號(hào)的頻率。因此，可以把PWM信號(hào)和換相控制信號(hào)通過邏輯“與”的辦法合成在一起，通過調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比，來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的定子電樞電壓，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 在任何時(shí)刻，在電子換相器的主回路一三相橋式逆度路中只有兩個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通，這兩個(gè)開關(guān)管中的一個(gè)高壓側(cè)（1、3、5管中的一個(gè)），另一個(gè)在低壓側(cè)（2、4、6中的一個(gè)），也就是說，總是有高壓側(cè)的一個(gè)開關(guān)管與低壓側(cè)的一個(gè)開關(guān)管串聯(lián)導(dǎo)通的，所以PWM信號(hào)只需與高壓側(cè)的三個(gè)開在管的控制信號(hào)通過邏輯“與”的辦法合成在一起即可實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速。
（3） 保護(hù)電路。 無刷電機(jī)在開環(huán)這行的情況下，最重要的保護(hù)就是過電流保護(hù)，一般在主回路中的直流母線一取得過電流反饋信號(hào)，在過電流環(huán)節(jié)與改定的保護(hù)值相比較，如果超過了保護(hù)值引起保護(hù)動(dòng)作，一般是封鎖逆度器中的開關(guān)管從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)。
大功率無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（額定15A，****30A）
|
