直流无刷电机与驱动技术

直流无刷电机与驱动技术直流无刷电机与驱动技术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、无刷直流电动机结构、无刷直流电动机结构2 2、无刷直流电动机工作原理、无刷直流电动机工作原理、无刷直流电动机工作原理、无刷直流电动机工作原理3 3、力矩和速度的控制、力矩和速度的控制、力矩和速度的控制、力矩和速度的控制4 4、PWMPWM控制技术控制技术控制技术控制技术1.结构结构n n由定子、转子、检测转子磁极位置的传感器及换由定子、转子、检测转子磁极位置的传感器及换相电路组成相电路组成。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 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2.工作原理工作原理 1 1）旋转磁场如何产生？）旋转磁场如何产生？）旋转磁场如何产生？）旋转磁场如何产生？n nBLDCBLDC本质上是一种同步电机，即定子绕组通电产生旋转本质上是一种同步电机，即定子绕组通电产生旋转磁场，吸引转子磁极与之对准，产生轴的运动。磁场，吸引转子磁极与之对准，产生轴的运动。n n假定电机定子为假定电机定子为3 3相相6 6极，相对应极的两个绕组首尾相接组极，相对应极的两个绕组首尾相接组成一相绕组，成一相绕组，3 3相绕组星型连接。相绕组星型连接。n n当电流流过流过两个绕线方向相同的铁芯线圈时，当电流流过流过两个绕线方向相同的铁芯线圈时，电流方向不同，产生的磁场方向也不同。电流方向不同，产生的磁场方向也不同。n n假如电流从假如电流从A A相绕组流进，从相绕组流进，从B B相绕组流出，相绕组流出，A A相绕相绕组产生从组产生从COM COM 端指向端指向A A端的磁势，端的磁势，B B相绕组产生从相绕组产生从B B端指向端指向COMCOM端的磁势。端的磁势。F6步通电顺序步通电顺序n n为产生旋转磁场，三相绕组按按如下规则通电：为产生旋转磁场，三相绕组按按如下规则通电：n n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；通电顺序为：绕组不导通；通电顺序为：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-n n每步仅一个绕组被每步仅一个绕组被换相换相。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，电机逆时针旋转：磁场逆时针旋转，电机逆时针旋转：654321654321n 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。必须换相才能实现磁场的旋转。n n在无刷电机中，根据转子磁极的位置实现换相。在无刷电机中，根据转子磁极的位置实现换相。n n要想根据转子磁极的位置换相，就必须知道转子磁极要想根据转子磁极的位置换相，就必须知道转子磁极的位置。的位置。n n并不需要连续的位置信息，仅知道换相点的位置即可。并不需要连续的位置信息，仅知道换相点的位置即可。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。的位置。n n由其输出的由其输出的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个功率管个功率管的导通实现换相。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门门输出低电压，称这种状态为输出低电压，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，称其为门输出高电压，称其为“关关”n n施密特触发器通过引入施密特触发器通过引入“磁场门限磁场门限”消除振荡现象。消除振荡现象。n n如果将一只霍尔传感器安装在靠近转子的位置，当转子如果将一只霍尔传感器安装在靠近转子的位置，当转子N N极靠近极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；霍尔传感器即磁感应强度达到一定值时，其输出是导通状态；n n导通状态保持直到电机旋转使得导通状态保持直到电机旋转使得S S极靠近霍尔传感器并达到一定极靠近霍尔传感器并达到一定值时，其输出才翻转为截止状态。值时，其输出才翻转为截止状态。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。无刷电机中霍尔传感器输出波形及编码霍尔传感器间隔霍尔传感器间隔120度时的输出波形及编码度时的输出波形及编码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n n转子旋转转子旋转180180度后转子磁极极性转换，因此输出信号中高、度后转子磁极极性转换，因此输出信号中高、低电平各占低电平各占180180度。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位二进制编码表示。位二进制编码表示。n n每每6060度编码改变一次。度编码改变一次。霍尔传感器间隔霍尔传感器间隔60度时的输出波形及编码度时的输出波形及编码n n如果如果3 3个霍尔开关间隔个霍尔开关间隔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。但也度的二进制编码是不同的。但也是每是每6060度电角度，编码改变一次，输出信号中高、度电角度，编码改变一次，输出信号中高、低电平各占低电平各占180180度。度。111 110 100 000 001 011 111 110ABC多对转子磁极时霍尔传感器的输出波形及编码多对转子磁极时霍尔传感器的输出波形及编码n n当转子为两对磁极时，如转子旋转一周即当转子为两对磁极时，如转子旋转一周即360360度机械角度时霍尔度机械角度时霍尔传感器输出两个周波即传感器输出两个周波即720720度电角度。度电角度。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；当转子为；当转子为n n对极时，对极时，e=nme=nm。n n例如，所示的例如，所示的BLDC BLDC 电机转子有两对磁极，电机转子有两对磁极，3 3个霍尔开关间隔个霍尔开关间隔6060度。度。两周电气旋转对应于一周机械旋转。两周电气旋转对应于一周机械旋转。n n每每6060度度电角度电角度编码改变一次。输出信号中高、低电平各占编码改变一次。输出信号中高、低电平各占180180度。度。换相过程换相过程假定定子绕组为假定定子绕组为3 3相，转子为相，转子为2 2对极，对极，3 3个霍尔传感器间隔个霍尔传感器间隔 6060度按圆周分布，由度按圆周分布，由6 6只晶体管组成的逆变器给电机供电。只晶体管组成的逆变器给电机供电。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-3、力矩和速度的控制、力矩和速度的控制n n当电机转子旋转时，由电磁感应当电机转子旋转时，由电磁感应定律分别在三相定子绕组中产生定律分别在三相定子绕组中产生三个反电势。三个反电势。n n反电势的大小取决于反电势的大小取决于3 3个因素：个因素：转子的角速度、由转子磁极产生转子的角速度、由转子磁极产生的磁场和定子绕组的匝数。的磁场和定子绕组的匝数。n nEa=Eb=Ec=KeEa=Eb=Ec=Ken n永磁无刷直流永磁无刷直流电动电动机的机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，可获获得梯形得梯形波的波的气隙磁气隙磁场场，定子采用集中整，定子采用集中整距距绕组绕组，因而感，因而感应应的的电动势电动势也是也是梯形波的。梯形波的。n n由逆变器提供与电动势严格同相由逆变器提供与电动势严格同相的方波电流。的方波电流。BLDC电机n从功率平衡的角度考虑T=EaIa+EbIb+EcIc又因为E=Ke,且在所有的时间都只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。特点：特点：定子电流为方波，反电动势为梯形波，且在每半个周期内，方波电流的持续时间为120电角度，梯形波反电动势的平顶部分也为120电角度，两者应严格同步。定子磁势和转子磁势的角度关系定子磁势和转子磁势的角度关系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。n n转子总是朝着着能使s-r减小的方向运动,一直延续到下一次换相瞬间.即转子从s-r为120一直运动到s-r为60,然后定子电流换相,定子绕组的磁动势向前步进60.结果s-r又变为120,接着转子又朝s-r减小的方向运动,如此反复,就产生了定子磁势与转子磁势相差60-120度，平均90度的关系。力矩的波动力矩的波动n n换相转矩脉动：换相转矩脉动：每次换相时，由于绕组电感的作用电流不每次换相时，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，限制了它在对速度变化比较敏感的场由于转矩存在波动，限制了它在对速度变化比较敏感的场合的应用。但当速度较高时，负载的转动惯量会对此产生合的应用。但当速度较高时，负载的转动惯量会对此产生平滑作用。平滑作用。速度的控制速度的控制n n无刷直流电机和有刷直流无刷直流电机和有刷直流电机相似，电机相似，改变定子绕组改变定子绕组电压的幅值即能改变电机电压的幅值即能改变电机速度。速度。n n但无刷直流电动机与永磁但无刷直流电动机与永磁交流同步电机一样，实质交流同步电机一样，实质上是一种同步电动机。上是一种同步电动机。n n表面上通过改变电压控制表面上通过改变电压控制速度，实际上速度，实际上通过改变力通过改变力矩改变电机速度，使霍尔矩改变电机速度，使霍尔传感器发出的编码信号传感器发出的编码信号 改变改变 逆变器换相的速度，逆变器换相的速度，从而改变电机的供电频率，从而改变电机的供电频率，保证转子转速与供电频率保证转子转速与供电频率同步。同步。n n因此是通过电压和频率的因此是通过电压和频率的协调来控制转速。协调来控制转速。速度的控制速度的控制n n从从电动电动机本身看，它是一台同步机本身看，它是一台同步电动电动机，但是如果把它和机，但是如果把它和逆逆变变器器 、转转子位置子位置检测检测器器 合起来看，就象是一台直流合起来看，就象是一台直流电电动动机。机。n n直流直流电电机机电电枢里面的枢里面的电电流本来就是交流本来就是交变变的，只是的，只是经过换经过换向向器和器和电电刷才在外部刷才在外部电电路表路表现为现为直流。直流。无刷直流电动机无刷直流电动机逆逆变变器和器和转转子位置子位置检测检测器替代机械式器替代机械式换换向器和向器和电电刷。刷。n n历历史上史上无刷直流电动机有过交流伺服电机、梯形波交流伺无刷直流电动机有过交流伺服电机、梯形波交流伺服电机、服电机、无刷直流电机等多种称呼。无刷直流电机等多种称呼。n n永磁交流同步电机也是通过传感器检测电机位置，从而改永磁交流同步电机也是通过传感器检测电机位置，从而改变变dqdq坐标系的旋转速度也即电压频率坐标系的旋转速度也即电压频率(磁场旋转速度）来磁场旋转速度）来改变电机速度的。改变电机速度的。n n控制系统也和控制系统也和DCDC系统一样，要求不高时，可采用开环调系统一样，要求不高时，可采用开环调速，要求较高时可采用速度回路和电流回路改善性能。速，要求较高时可采用速度回路和电流回路改善性能。n n无论是开环还是闭环系统，都必须具备转子位置检测、发无论是开环还是闭环系统，都必须具备转子位置检测、发出换相信号、调速时对直流电压的出换相信号、调速时对直流电压的PWMPWM控制等基本功能。控制等基本功能。BLDC电机的速度电机的速度-力矩特性曲线力矩特性曲线 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BLDC 电机速度可变，必须在绕组的两端加可变电压。n n利用PWM控制技术，通过控制PWM 信号的不同占空比，则绕组上平均电压可以被控制，从而控制电机转速和力矩。n n在控制系统中采用DSP或单片机时，可利用器件中的PWM产生模块产生PWM波形。n n根据转速要求设定占空比，然后输出6路PWM信号，加到6个功率管上。例：由例：由dsPIC30F2010的的PWM 模块产生模块产生PWM信号的信号的机制机制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波形的跳变。只要实时波形的跳变。只要实时PDC*PDC*的值，就可以改变单位周期内高电平或者低电平的的值，就可以改变单位周期内高电平或者低电平的脉冲宽度，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 由单片机控制的开环由单片机控制的开环BLDC系统：系统：例例2 单片三相无刷直流电动机控制器单片三相无刷直流电动机控制器SI9979 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控制的闭环控制的闭环BLDC系统系统BLDC的特点的特点n n与与DCDC电机比较：由于没有电刷的机械摩擦，使其具电机比较：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。围、容易散热等优点。n n与与PMSMPMSM电机比较：控制简单，制造容易，成本低。电机比较：控制简单，制造容易，成本低。n n力矩波动比力矩波动比DCDC电机及电机及PMSMPMSM电机大。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。高的场合。n n5050年代美国人发明第一台采样晶体管逆变器的无刷年代美国人发明第一台采样晶体管逆变器的无刷直流电机，现已广泛应用在计算机、家用电器、电直流电机，现已广泛应用在计算机、家用电器、电动自行车和和一些机电设备中。动自行车和和一些机电设备中。思考题思考题1.1.说明BLDC的旋转磁场是如何产生的。2.2.说明BLDC如何实现换相。3.3.BLDC如何通过电压和频率的相互协调实现速度控制？4.4.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？知识回顾知识回顾Knowledge Knowledge ReviewReview