无刷直流BLDC内部资料课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,无刷直流电机的工作原理及控制方法,1.1,无刷直流电动机基本工作原理,BLDCM,的基本组成,无刷直流电机主要,由永磁电动机本体，转子位置检测器和功率开关逆变器件三个部分组成,。电力电子开关逆变器输入端加直流电压源，逆变器根据一定的逻辑关系向电机的三相绕组依次导通电流。位置检测器检测电机转子位置，将转子位置信号输出给控制模块。控制模块将位置信号处理后，形成一定逻辑的开关信号驱动电力电子开关管的导通与关断。,电力电子开关逆变器如下图所示。控制,V1-V6,或者,V4,V6,V2,的导通方式和顺序，可以给电机定子三相绕组提供有一定逻辑关系的电压，使电机输出大小恒定的转矩。逆变器开关,V1-V6,为功率开关器件，多用,IGBT,或,P-MOSFET,。每个功率开关管旁边均反并联一个续流二极管，用于功率开关管关断时，由于电机的电感性而不能突变的电流的流通。,BLDC,基本原理图,无刷直流电机的电机本体为永磁同步电动机。转子上有永磁磁钢，定子绕组为多相对称绕组。可以分为内转子型和外转子型。 由于电动机定子各相绕组的导通时间长短，先后顺序和时刻由电机定子绕组与电机转子永磁体磁极的相对位置决定，所以要实现无刷直流电机的控制，检测并知道转子位置信号是十分重要的。,1.2,BLDCM换相原理,无刷直流电机的设计思想来源于有刷直流电机，与有刷直流电机相比，除了没有了机械电刷之外，其定子和转子也互调了位置。无刷直流电机的转子由永磁体组成，产生随着转子旋转的恒定磁通。无刷直流电机的定子中有多相绕组，常常为三相。其运行原理与有刷直流电机是一样的，即都是在一个恒定的磁通密度分布的磁极下，有电流总量是恒定的绕组导条切割由磁极产生的磁力线，感应出恒定大小的电磁转矩（同一转速下）。只是无刷直流电机产生磁通的磁极是旋转的，而切割磁力线的导条是不动的，但是这两者之间还是保持着相对运动的关系。,无刷直流电动机控制方式通常可以分为,:,三相六状态,120,，,180,双极性，三相三状态,120,单极性，三相六状态,180,单极性,4,种方式。,(1),三相三状态,120,单极性：,绕组导通顺序为：,A,B,C,A,，相应的功率开关导通顺序为：,120,导通方式，用三相半桥逆变电路，开关管导通顺序为：,V4,V6,V2,。每个开关状态持续,120,电角度。当转子磁极转过,120,时，电机换相，下一相绕组被导通，使导通的绕组始终处于相应的磁极磁通下，即可获得几近恒定的电磁转矩。,（,2,）三相六状态,180,双极性：,绕组导通方式为,，使用三相全桥逆变器，功率开关的导通方式为：,V1V2V5,V1V2V6,V1V3V6,V4V3V6,V4V3V5,V4V2V5,。,基本原理与上相似，也是绕组随着转子磁极的旋转而依次导通，使导通的绕组始终处于相应的磁极磁通下。不同的是，每个状态下，电机定子绕组有三相导通。合成的电磁转矩比三相六状态,120,双极性方式下要大一些。但是任意时刻都有三相绕组导通，使得电机的耗电量上升。,（,3,）三相六状态,120,双极性：,绕组导通顺序为：,使用三相全桥逆变器，功率开关管的导通顺序为：导通方式，,T1T6,T1T2,T3T2,T3T4,T5T4,T5T6,。,基本原理与上三相三状态导通方式基本一样。所不同的是，,每个状态下，均有两相绕组被导通,，即每个状态下，有两相的导通绕组切割磁力线。其感应产生的电磁力将是两相绕组产生的电磁力的合成。由于在转子磁极边缘磁通很小，在两极的中间位置，磁通为零。为了充分利用转子磁极产生的磁通，获得最大的电磁转矩。在每次两相绕组导通的情况下，,使用,60,电角度换相,的方法，一共有六个状态。这样可以保证导通绕组处于较大的磁通密度下。由此可知，三相六状态,120,双极性控制的方式，比三相三状态控制方式时，更加充分地利用了永磁体磁极产生的磁通。在实际应用中通常采用这种导通方式,。,三相六状态绕组导通示意图,0,60,180,240,A,相：,B,相：,C,相：,120,300,360,60,A,+,B,-,A,+,C,-,B,+,C,-,B,+,A,-,C,+,A,-,C,+,B,-,导通模式：,BLDCM,换流规律总结,1,、共同特点：定子绕组产生的合成磁场是一个跳跃式的旋转磁场，随着转子的转动，每隔一定角度，定子磁动势改变一次。,2,、三相三状态：一个电周期（,360,电角）有三个磁状态，,每个磁状态持续,120,电角，绕组电流为单方向电流,。,3,、三相六状态：一个电周期（,360,电角）有,六个磁状态，,每个磁状态持续,60,电角，绕组电流为双向电流,。,1.3,霍尔位置传感器工作原理,（,a,）原理,（,b,）分类,线性,HALL IC,开关型,HALL IC,锁定型,HALL IC,HALL IC,利用电流的磁效应，既通电的的半导体介质在外磁场的作用下会产生新的电场，也就是所谓的霍尔效应 。,（,a,）输出特性,（,b,）输出波形,（,c,）锁定型霍尔,IC,的输出特性和输出波形,U,0,/V,0,N,极,S,极,HC,0,60,180,240,120,300,360,60,t,t,t,（,d,）在,BLDCM,中的应用,N,S,n,HA,HB,HC,：,HA,：,HB,：,传感器转子,HALL IC,1.,传感器转子采用永磁体。,2.,传感器转子永磁体的极对数与电机主转子的极对数相同，安装位置完全一致。,位置传感器输出波形与绕组导通规律的对应关系,0,60,180,240,120,300,360,60,t,t,t,t,t,t,A,相：,B,相：,C,相：,HA,：,HB,：,HC,：,1,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,1,霍尔信号,导通,绕组,1,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,1,HA,HB,HC,A+B-,A+C-,B+C-,B+A-,C+A-,C+B-,A+B-,绕组导通规律与主回路功率管触发信号的对应关系,+,-,T1,T3,T4,T6,T5,T2,A,B,C,A,+,B,-,触发示意图,+,-,T1,T3,T4,T6,T5,T2,A,B,C,A,+,C,-,触发示意图,A,+,B,-,A,+,C,-,B,+,C,-,B,+,A,-,C,+,A,-,C,+,B,-,T,1,T,6,T,1,T,2,T,3,T,2,T,3,T,4,T,5,T,4,T,5,T,6,导通绕组,导通功率管,霍尔信号与主回路功率管触发信号的对应关系,触发信号为高电平“,1”,时功率管导通，为低电平“,0”,关断,霍尔信号,导通,绕组,1,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,0,0,1,1,0,0,1,HA,HB,HC,A+B-,A+C-,B+C-,B+A-,C+A-,C+B-,功率管触发信号,T,1,T,2,T,3,T,4,T,5,T,6,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1.4 无刷直流电机的调速原理,+,-,T1,T3,T4,T6,T5,T2,A,B,C,U,dc,假设某时刻，电机处于,A+B-,的导通状态下，,则此时的电机电压平衡方程为,再考虑到稳态时：有,上式可简化为：,则，可得,BLDCM,的机械特性：,线反电动势,式中：,相电阻,平均反电动势系数,平均转矩系数,功率管导通压降,无刷直流电动机的调速方法,-PWM,技术,脉冲宽度调制,(PWM),，,是英文“,Pulse Width Modulation”,的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。,PWM,控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力。电子技术最广泛应用的控制方式,也是人们研究的热点。,脉冲宽度调制（,PWM,）,是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。,PWM,信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有,(,ON)，,要么完全无,(,OFF)。,电压或电流源是以一种通,(,ON),或断,(,OFF),的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。,PWM,信号的产生：,+,-,三角波,参考电压,Ud,+,-,三角波,参考电压,Ud,PWM,信号,SPWM,信号,PWM,信号的叠加：,PWM,信号产生电路,功率管触发信号,位置信号处理电路,三相霍尔信号及正反转控制信号,与门,叠加上,PWM,信号的功率管触发信号,三相桥式功率主电路,驱动隔离电路,加上,PWM,信号后的,6,个触发信号（仅下桥臂斩波）：,0,60,180,240,T1,：,T4,：,T6,：,120,300,360,60,T3,：,T5,：,T2,：,PWM,：,加上,PWM,信号后的,6,个触发信号（上下桥臂全斩波）：,0,60,180,240,T1,：,T4,：,T6,：,120,300,360,60,T3,：,T5,：,T2,：,PWM,：,1.5 电力电子器件基础知识,电力电子器件（Power Electronic Device）又称为功率半导体器件，用于电能变换和电能控制电路中的大功率(通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上)电子器件。,常用电力电子器件,一、电力电子器件的分类：,1,、根据开关器件开通、关断可控性的不同：,（,a,）不可控器件,二极管,D,（,b,）半控器件,（,c,）全控器件,双极型晶体管,BJT,（,GTR,）,可关断晶闸管,GTO,电力场效应晶体管,P-MOSFET,绝缘栅双极型晶体管,IGBT,MOS,控制晶闸管,MCT,静电感应晶体管,SIT,静电感应晶闸管,SITH,普通晶闸管,SCR,及其派生系列,RCT,ASCR,TRIAC,2,、根据开通、关断所需门极（栅极）驱动信号的不同：,（,a,）电流控制型,（,b,）电压控制型,SCR,GTO,BJT,（,GTR,）,P-MOSFET,IGBT,MCT,SIT,SITH,3,、根据半导体器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况：,（,a,）单极型,（,b,）双极型,P-MOSFET,SIT,GTO,SCR,IGBT,MCT,SITH,（,c,）混合型,BJT,（,GTR,）,晶闸管（,Thyristor,）,晶闸管（,Thyristor,）是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅；,1957,年美国通用电器公司开发出世界上第一款晶闸管产品，并于,1958,年将其商业化；晶闸管是,PNPN,四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和门极,;,晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。,晶闸管工作条件为：加正向电压且门极有触发电流；其派生器件有：快速晶闸管，双向晶闸管，逆导晶闸管，光控晶闸管等。它是一种大功率开关型半导体器件，在电路中用文字符号为“,V”,、“,VT”,表示（旧标准中用字母“,SCR”,表示）。晶闸管,T,在工作过程中，它的阳极,A,和阴极,K,与电源和负载连接，组成晶闸管的主电路，晶闸管的门极,G,和阴极,K,与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路。,晶闸管的工作条件：,1.,晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，晶闸管都处于关断状态。,2.,晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。,3.,晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。,4.,晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。,绝缘栅双极型晶体管,IGBT,IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),，绝缘栅双极型晶体管，是由,BJT(,双极型三极管,),和,MOS(,绝缘栅型场效应管,),组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有,MOSFET,的高输入阻抗和,GTR,的低导通压降两方面的优点。,GTR,饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大,;MOSFET,驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。,IGBT,综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为,600V,及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。,功率,MOSFET,金属,-,氧化层,-,半导体,-,场效晶体管，简称全氧半场效晶体管（,Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET,）是一种可以广泛使用在类比电路与数位电路的场效晶体管（,field-effect transistor,）。,MOSFET,依照其“通道”的极性不同，可分为,n-type,与,p-type,的,MOSFET,，通常又称为,NMOSFET,与,PMOSFET,，其他简称尚包括,NMOS FET,、,PMOS FET,、,nMOSFET,、,pMOSFET,等。,电力晶体管 也称 巨型晶体管,GTR: Giant Transistor,GTR,是一种电流控制的双极双结大功率、高反压电力电子器件，具有自关断能力,产生于本世纪,70,年代，其额定值已达,1800V/800A/2kHz,、,1400v/600A/5kHz,、,600V/3A/100kHz,。它既具备晶体管饱和压降低、开关时间短和安全工作区宽等固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短，在电源、电机控制、通用逆变器等中等容量、中等频率的电路中应用广泛。,GTR,的缺点是驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏。在开关电源和,UPS,内，,GTR,正逐步被功率,MOSFET,和,IGBT,所代替。,可关断晶闸管,GTO,可关断晶闸管,GTO,（,Gate Turn-Off Thyristor,）亦称门控晶闸管。其主要特点为，当门极加负向触发信号时晶闸管能自行关断。,前已述及，普通晶闸管（,SCR,）靠门极正信号触发之后，撤掉信号亦能维持通态。欲使之关断，必须切断电源，使正向电流低于维持电流,IH,，或施以反向电压强迫关断。这就需要增加换向电路，不仅使设备的体积重量增大，而且会降低效率，产生波形失真和噪声。可关断晶闸管克服了上述缺陷，它既保留了普通晶闸管耐压高、电流大等优点，以具有自关断能力，使用方便，是理想的高压、大电流开关器件。,GTO,的容量及使用寿命均超过巨型晶体管（,GTR,），只是工作频率比,GTR,低。目前，,GTO,已达到,3000A,、,4500V,的容量。大功率可关断晶闸管已广泛用于斩波调速、变频调速、逆变电源等领域，显示出强大的生命力。,各类优点,IGBT,优点：开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小；缺点：开关速度低于电力,MOSFET,电压，电流容量不及,GTO,GTR,优点：耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低；缺点：开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题,GTO,优点：电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强；缺点：电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低,电力,MOSFET,优点：开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题；缺点：电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过,10kW,的电力电子装置。,制约因素：耐压，电流容量，开关的速度。,1.6,速度、电流负反馈双闭环系统,闭环控制系统,闭环控制系统,(closed-loop control system),的特点是系统被控对象的输出,(,被控制量,),会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系 统给定值信号相反，则称为负反馈,( Negative Feedback),，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈 的闭环控制系统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系 统。另例，当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净，并在洗净之后能自动切断电源，它就是一个闭环控制系统。,PID控制器简述,PID,（比例积分微分）英文全称为,Proportion Integration Differentiation,，它是一个数学物理术语。,目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能 控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接 口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、 变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，,PID,控制及其控制器或智能,PID,控制器,（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的,PID,控制器产品，各大公司均开发了具有,PID,参数自整定功能的智能调节器,(intelligent regulator),，其中,PID,控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用,PID,控制实现的压力、温度、流量、液位控制 器，能实现,PID,控制功能的,可编程控制器,(PLC),，还有可实现,PID,控制的,PC,系统等等。 可编程控制器,(PLC),是利用其闭环控制模块来实现,PID,控制，而可编程控制器,(PLC),可以直接与,ControlNet,相连，如,Rockwell,的,PLC-5,等。还有可以实现,PID,控制功能的控制器，如,Rockwell,的,Logix,产品系列，它可以直接与,ControlNet,相连，利用网络来实现其远程控制功能。,PID控制的原理和特点,在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称,PID,控制，又称,PID,调节。,PID,控制器问世至今已有近,70,年历史，它 以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的 其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用,PID,控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或 不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用,PID,控制技术。,PID,控制，实际中也有,PI,和,PD,控制。,PID,控制器就是根据系统的误差，利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的。,比例（,P,）控制,比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（,Steady-state error,）。,积分（,I,）控制,在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的 或简称有差系统（,System with Steady-state Error,）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积 分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，,比例,+,积分,(PI),控制器，可以使系统在进入稳态后无稳 态误差。,微分（,D,）控制,在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后,(delay),组件，具有抑制误差的作用， 其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例,+,微分的控制器，就能 够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例,+,微分,(PD),控制器能改善系统在 调节过程中的动态特性。,PI,调节器特性（优点）,静态无差调节快速动态响应,无差的维持机制积分记忆功能,当 时， ，调节器输入为零，但由于PI调节器的积分作用，对过去出现过的误差有记忆，则积分输出不为零，维持第一次出现,时的输出值,，维持 （无差）,根据误差大小，调节器起不同作用（功能），按调节器误差大小，进入还是退出饱和而定。,饱和限幅后，调节器以最大值输出，系统以最,大能力加、减速，获得快速的动态响应。,解决这一问题的措施：构成速度一电流双闭环统，实现对速度和电流的控制。,双闭环调速系统结构,内环,电流负反馈,电流反馈信号,取自可控整流器直流侧,采用康铜线或者阻值较小的电阻作为电流采样电阻。,双闭环控制信息关系,1.7 系统功率电路,由于控制系统的电源来自于单相,220V,民用交流电，而单片机等元件需要直流,5V,供电，因而控制系统中需要有整流电路。,整流电路采取,单相不控整流电路,+,大电容滤波,的形式，成本低，性能上能够满足要求。,单相不控整流电路,+,大电容滤波整流电路输出的直流电压较高，可以直接作为三相逆变器的直流侧输入电压。,三相桥式逆变器,通过控制三相六桥臂的,P-MOSFET,的通断，可以将直流母线电压加到电机三相绕组中的任意两相，形成定子气隙磁场，拖动永磁体转子旋转。,第二部分,无刷电机无位置传感器运行原理,无刷直流电动机的无位置传感器控制，无需安装传感器，使用场合广，相对于有位置传感器方法有较大的优势，因此，无刷直流电动机的无位置传感器控制近年来已成为研究的热点。,无刷直流电动机的无位置传感器控制中，不直接使用转子位置传感器，但在电动机运转过程中，仍然需要转子位置信号，以控制电动机换相。因此，如何通过软硬件间接获得可靠的转子位置信号，成为无刷直流电动机无位置传感器控制的关键。为此，国内外的研究人员在这方面作了大量的研究工作，提出了多种转子位置信号检测方法，大多是利用检测定子电压、电流等容易获取的物理量实现转子位置的估算、归纳。可以分为反电势法、状态观测器法、人工神经网络法等几大类。,无位置传感器,电感法,状态观测器法,反电势法,缺点：,不适用于低速或电机静止时,PWM,等信号对过零点的干扰,移相角,续流二极管的续流,优点：,线路简单、成本低,方法：相反电势的过零点法,1.,检测相反电势的过零点,2.,检测续流二极管的导通情况,缺点：,需要特殊的,PWM,调制方法,以上所有缺点,优点：,拓宽了电机的调速范围,方法：相反电势的过零点法,1.,检测相反电势的过零点,2.,检测续流二极管的导通情况,方法：相反电势的过零点法,方法,：三次谐波电势的过零点法,1.,检测相反电势的过零点,2.,检测续流二极管的导通情况,检测三次谐波电势的过零点,优点：,不受续流二极管续流的影响，过零点始终可以检测到,缺点：,1.,必须引出电机中性点；,2.,仅适用于绕组电感不变，三相参数对称，磁场的三次谐波分量和三次谐波绕组系数比较大的电机；,3.,不适用于低速或电机静止时,4.,移相角,三次谐波电势的提取：,三相绕组端部引出的,Y,型电阻网络的中性点与电机中性点之间的电压,方法,：相反电势的反电势积分及参考电压比较法,方法,：三次谐波电势的反电势积分及参考电压比较法,优点：,1.,积分结果与电机速度无关,2.,可以方便的实现超前换流,优点：,1.,方法,的全部优点；,2.,反电势过零点始终可以检测到,缺点：,1.,对 的依赖性较强；,2.,三次谐波电势法的共同缺点,缺点：,1.,反电势过零点检测不到则无法工作,2.,对 的依赖性较强,3. PWM,等信号对过零点的干扰,方法,：相反电势的反电势积分及锁相环法,方法,：三次谐波电势的反电势积分及锁相环法,考虑续流的影响,优点：,1.,方法的全部优点；,2.,反电势过零点始终可以检测到,缺点：,1.,三次谐波电势法的共同缺点,缺点：,1.,反电势过零点检测不到则无法工作,2.,受续流二极管续流的影响较大,优点：,1.,积分结果与电机速度无关,2.,不受电机参数及外界条件的影响,3.,输出信号不含干扰,反电势法常有的问题,静止或低速时,反电势为零或很小,起动困难,缺点：,引入了辅助传感器,解决方案,辅助位置传感器法,外同步驱动方式起动,转子零初始位置检测的位置闭环起动,静止,/,低速时采用传感器检测位置,高速时采用无位置传感器控制,转子定位,外同步加速,反电势法切换,缺点：,易受负载转矩、外施电压等因素的影响，易失步、不可靠,转子零初始位置检测的位置闭环起动,零初始位置检测,转子位置闭环起动,反电势法切换,对于定子绕组采用铁心线圈的无刷直流电机,电枢绕组感应电势,等效励磁电流,根据等效电路的观点， ，所以，等效电感,L,随着铁心线圈内部磁通的变化而变化，内部磁通越饱和，等效电感,L,越小,忽略磁滞和涡流的影响,对于无刷直流电机，气隙合成磁场由转子磁势和定子电枢磁势共同产生,定子电枢磁势一定（指向,A,相相轴）,空载点,a,点对应电感,L1,b,点对应电感,L2,显然,L1L2,所以，外施电压一定时，当转子实际位置与定子电枢磁势方向夹角越小，电感越小。,当给电机定子绕组施加电压矢量,V1,（,1,，,0,，,0,）,电机等效电路,位置,a:,位置,b:,电流响应,电感,L,越大，时间常数,则越大，电流上升也越缓慢；随着电压作用时间的增长，电流差值逐渐增大，在与时间常数大约相等时的电流差值最大，最后电路趋于稳定，此时电流值相等，差值为零。,Ts,时刻，电流值越大，电感越小，转子与定子电枢磁势夹角越小,电压矢量作用时间,Ts,同理，当转子位于某一固定位置，而施加不同方向的定子电枢磁势时：,气隙合成磁场,a,等效电感,Lb,Ts,时刻电流值,a,转子位置与定子磁势夹角,b,电压矢量作用时间,Ts,的选择对于转子零初试位置检测的成败至关重要,电压矢量作用时间,Ts,Ts,过大,1.,施加时间过长，导致电机转动,2.,电流响应进入稳态，电流差值几乎为,0,Ts,过小,电流差值不够大，无法反映转子相对位置,对,t,求导,所以，电压矢量作用时间,Ts,应该选为与电机时间常数近似相等的数值。,转子零初始位置检测的具体实施方法,直流母线电流采样点,电压矢量施加顺序：,Ts,时刻对直流母线电流采样,最大值,转子位于 区间,若,转子位于 区间,无刷直流电机的数学模型,分析无刷直流电机时作如下假设：,不计涡流和磁滞损耗；,三相绕组完全对称；,反电势波形为,120,度电角度的梯形波,；,忽略磁槽、换相过程和电枢反应的影响,。,L,为随定转子磁势夹角变化的变量,三相绕组的电压平衡方程,定子绕组产生的电磁转矩,机械运动方程,所用样机部分参数：单相电阻,R=4.5Ohm,电感,L=0.003H,，时间常数,=600s,转子实际位置,Ts=300s,Ts=500s,Ts=1ms,不同作用时间,Ts,下的电流响应波形（仿真）,转子实际位置,不同作用时间,Ts,下的电流响应波形（实验）,Ts=300s,Ts=1ms,Ts=500s,三段式启动方法原理简述,无位置传感器无刷直流电机一般利用检测电枢绕组中的反电势作为转子的位置信号，但电机不转时无法检测到反电势信号，电机无法运行。,无刷直流电机的起动有两种方法：外同步方式起动和预定位方式起动。,无刷直流电机的外同步驱动方式需要人为地给电机施加一由低频到高频不断加速的外同步切换信号，使电机以外同步方式由静止逐步加速运转。这种起动方式需要经过多次的试验才能获得最佳的切换点，而且电路较为复杂。,（,1,）先由程序控制给任意两相定子绕组通电而另一相关断，则电机定子合成磁势轴线在空间有一确定方向，把转子磁极拖到与其重合的位置，经过一段时问即可确定转子的初始位置。,（,2,）然后按照电机旋转方向的换向顺序由程序控制给相应绕组馈电，使电机起动。期间程序不进行反电势的过零检测，换相不受反电势检测信号的控制，换相时间间隔由软件延时控制，且该时间间隔逐渐缩短，程序控制,PWM,波占空比逐渐增大以提高电压，因此这是一种升频升压的起动方式。,（,3,）开环换相过程持续一段时间后，电机已经具有一定的转速，反电势达到一定大小，可以测量得到，此时程序跳出开环换相过程，进入由反电势检测信号控制换相的白控式运行状态。,程序执行流程详述,转子预定位,当控制器上电之后，首先使得功率三相桥臂的,A,相上桥臂与,B,相下桥臂导通，使得电机处于,A+B-,的通电状态。则在电机气隙中产生一个方向固定的磁场，电机转子将会转向这个固定方向的磁场，此过程就是转子预定位。程序将在此通电状态下维持,2,秒，保证转子有充足的时间转到预定位置上。,外同步加速,此外同步加速状态采取逐渐减小三相桥式功率管的换向时间间隔，与此同时增大,PWM,占空比的办法，也就是逐渐升频升压的方法实现电机的外同步加速过程。共可分为三个阶段。,第一阶段采取间隔,200ms,进行一次三相桥臂功率管之间的换流，,PWM,占空比为,10/63,，第二阶段采取间隔,100ms,进行一次三相桥臂功率管之间的换流，,PWM,占空比为,12/63,，第三阶段采取间隔,50ms,进行一次三相桥臂功率管之间的换流，,PWM,占空比为,14/63,。,自同步运行,由于在完成上述的外同步加速过程之后，电机的转速已经有明显的上升，使得反电势在此时已经处于较大的值，经过三相滤波电路之后，与中性点电压进行比较之后已经可以得到模拟的霍尔信号，因而此时可以使电机根据模拟得到的霍尔信号进行换流，而并非通过程序中的“手动换流”。,至此，电机将会根据自同步信号进行加速，直至在此,PWM,占空比下所能到达的最高转速，并且稳定运行在此转速下。,由于刚启动时需要进行转子预定位，采取的是A+B-的两相通电方式，保证转子的位置是固定在我预先设定的位置。从上面的时间波形可以看出系统一旦上电，则A相电流首先到达最大值，在维持2秒之后，进行外同步，然后切换为自同步，这一整个启动过程都可以在上图中有很好的反应。,启动时的A相相电流,启动阶段,A,相电流的放大波形,启动时随着手动换向的时间间隔的减小，,A,相相电流的变化周期缩短。,启动时的直流母线电流,在外同步换向阶段时，由于换向时刻把握得不准确，因而直流母线电流的值较大，当切换为自动换向时，电流随之减小。可以从图中看出，电机处于外同步状态的时间为,7,秒左右，之后就切换为自同步运行状态,反电势过零检测法,电动机的反电势与电动机的转子位置存在一定的关系，通过检测电动机反电势,(Back Electromotive Force),，并对其进行适当处理，可以获得转子位置信号，这类方法称为“反电势法”,按照对反电势处理方法的不同，“反电势法”可分为反电势过零检测法、反电势三次谐波法和反电势积分法等类型。,无刷直流电机三相反电势波形图,在无刷直流电动机中，定子绕组的反电势为梯形波，且正负交变；绕组反电势发生过零后，延迟对应于,30,电角度的时间，即为电动机换相时刻。因此，只要检测到各相反电势的过零点，即可获知转子的若干个关键位置，实现无位置传感器无刷直流电动机换相控制。,无刷直流电机三相反电势信号与霍尔信号的比较,通常，无刷直流电动机运行中，在任意时刻逆变器中总有一相的功率管器件全部关断，处于悬空状态，,绕组反电势的过零点就发生在该相绕组悬空的时间段内,，此时，只要检测绕组中相电压的变化，即可检测到反电势过零点。但由于成本或工艺的原因，大多数无刷直流电动机不引出绕组中点，反电势过零检测法主要通过检测电动机端电压获取反电势过零。其方法有以下几种：,低通滤波法,PWM,关断检测法,数字计算法,对于三相星形连接的绕组来说，端电压是指绕组端部至电源负端之间的电压，,A,相端电压用,ua,表示。从端电压的定义不难看出，端电压就是在相电压的基础上加上中性点对电源负端的电压，用,un,表示中性点对电源负端的电压。,低通滤波法,根据三相绕组的对称性，由上一个式子可得三相绕组端电压平衡方程的矩阵表达式,任一时刻只有两相绕组导通，导通的两相绕组中电流大小相等、方向相反，第三,相绕组悬空，电流为零，将矩阵中三个方程相加可得,检测相电压的过零时刻获得转子位置,主要功能：,1.,分压,2.,滤除,PWM,等高频信号干扰,3.,滤除绕组中心点对电源地信号,4.,设计成移相接近,90,度,检测电路,1,A,相滤波电路,低通滤波电路幅值特性,高通滤波电路幅值特性,总的滞后移相角,各点电压和相移的方程表达式,电机速度范围在,40-200r/min,，对应频率范围在，,PWM,斩波频率为,16KHZ,其中,检测端电压与,Ud/2,相等的时刻获得转子位置,主要功能：,1.,分压,2.,滤除,PWM,等高频信号干扰,3.,设计成移相接近,30,度,检测电路,2,A,相滤波电路,低通滤波电路幅值特性,滤波前后电压和相移的方程表达式,其中,电机速度范围在,40-200r/min,，对应频率范围在，,PWM,斩波频率为,16KHZ,“,反电法”检测转子位置的误差、干扰：,电枢反应,PWM,调制方式,滤波电路移相,续流二极管续流,其它,转子位置误差与电枢反应的关系,1.,转子激磁作用越弱，误差越大,2.,反电势平顶宽度越小，误差越大,3.,凸极效应越明显，误差越大,4.,隐极电机不受电枢反应影响,切换需要满足一定的条件，否则切换过程中电机将运行不平稳，甚至出现失步,起动过程中,检测电压矢量,反馈得到转子位置所在区间,section,反电势过零信号,获得由反电势法得到的转子位置区间,position,连续,N,次检测到,section=position,切换条件满足,判断转子位置所在区间,section,开通,“,反电势过零信号,”,捕获端口，检测,section,检测电压矢量引起的反电势过零信号的干扰,低速与高速的切换,在实际设计过程中，采取了第二种检测电路，设计成在,1500rpm,下延迟,30,换向。,所得到的电路参数为,R1=4.7K,R2=1K,C1=4.7uF,三相端电压,低通滤波电路,模拟电机中性点电压,模拟得到的电机,三相霍尔信号,电机端电压和其滤波之后的波形,端电压滤波之后的电压与中性点电压比较得到模拟的霍尔信号,端电压和其滤波之后的波形放大之后的局部细节波形,从上图可以看出，实际试验中测得的波形显示，反电势过零点在低通滤波电路的作用下有了,t=1ms,的延迟，而又考虑到此时反电势波形的电周期为,11ms,，也就是接近了,30,的电角度相位滞后，这与理论上以及仿真上的结果十分吻合。,谢 谢,