直流无刷电动机工作原理与控制方法
时间：2010-01-04 12:25:01 来源：作者：
序言
由于直流无刷电动机既具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点，故在当今国民经济各领域应用日益普及。
一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活中。其主要类型有同步电动机、异步电动机和直流电动机三种。由于传统的直流电动机均采用电刷以机械方法进行换向，因而存在相对的机械摩擦，由此带来了噪声、火化、无线电干扰以及寿命短等弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而大大限制了它的应用范围，致使目前工农业生产上大多数均采用三相异步电动机。
针对上述传统直流电动机的弊病，早在上世纪30年代就有人开始研制以电子换向代替电刷机械换向的直流无刷电动机。经过了几十年的努力，直至上世纪60年代初终于实现了这一愿望。上世纪70年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多高性能半导体功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT、IPM等相继出现，以及高性能永磁材料的问世，均为直流无刷电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。
三相直流无刷电动机的基本组成
直流无刷永磁电动机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。其定子绕组一般制成多相（三相、四相、五相不等），转子由永久磁钢按一定极对数（2p=2,4,…）组成。图1所示为三相两极直流无刷电机结构，
图1 三相两极直流无刷电机组成
三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件联结，A、B、C相绕组分别与功率开关管V1、V2、V3相接。位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相联结。
当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各项绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。
图2为三相直流无刷电动机半控桥电路原理图。此处采用光电器件作为位置传感器，以三只功率晶体管V1、V2和V3构成功率逻辑单元。
图2 三相直流无刷电动机
三只光电器件VP1、VP2和VP3的安装位置各相差120度，均匀分布在电动机一端。借助安装在电动机轴上的旋转遮光板的作用，使从光源射来的光线一次照射在各个光电器件上，并依照某一光电器件是否被照射到光线来判断转子磁极的位置。
图3 开关顺序及定子磁场旋转示意图
图2所示的转子位置和图3 a）所示的位置相对应。由于此时广电器件VP1被光照射，从而使功率晶体V1呈导通状态，电流流入绕组A-A’，该绕组电流同转子磁极作用后所产生的转矩使转子的磁极按图3中箭头方向转动。当转子磁极转到图3 b）所示的位置时，直接装在转子轴上的旋转遮光板亦跟着同步转动，并遮住VP1而使VP2受光照射，从而使晶体管V1截至，晶体管V2导通，电流从绕组A-A’断开而流入绕组B-B’，使得转子磁极继续朝箭头方向转动。当转子磁极转到图3 c）所示的位置时，此时旋转遮光板已经遮住VP2，使VP3被光照射，导致晶体管V2截至、晶体管V3导通，因而电流流入绕组C-C’，于是驱动转子磁极继续朝顺时针方向旋转并回到图3 a）的位置。
这样，随着位置传感器转子扇形片的转动，定子绕组在位置传感器VP1、VP2、VP3的控制下，便一相一相地依次馈电，实现了各相绕组电流的换相。在换相过程中，定子各相绕组在工作气隙内所形成的旋转磁场是跳跃式的。这种旋转磁场在360度电角度范围内有三种磁状态，每种磁状态持续120度电角度。各相绕组电流与电动机转子磁场的相互关系如图3所示。图3a）为第一种状态，Fa为绕组A-A’通电后所产生的磁动势。显然，绕组电流与转子磁场的相互作用，使转子沿顺时针方向旋转；转过120度电角度后，便进入第二状态，这时绕组A-A’断电，而B-B’随之通电，即定子绕组所产生的磁场转过了120度，如图3 b）所示，电动机定子继续沿顺时针方向旋转；再转120度电角度，便进入第三状态，这时绕组B-B’断电，C-C’通电，定子绕组所产生的磁场又转过了120度电角度，如图3 c）所
示；它继续驱动转子沿顺时针方向转过120度电角度后就恢复到初始状态。图4示出了各相绕组的导通顺序的示意图。
图4 各相绕组的导通示意图
位置传感器
位置传感器在直流无刷电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相。位置传感器种类较多，且各具特点。在直流无刷电动机中常见的位置传感器有以下几种：电磁式位置传感器、光电式位置传感器、磁敏式位置接近传感器。
电磁式位置传感器在直流无刷电动机中，用得较多的是开口变压器。用于三相直流无刷电动机的开口变压器由定子和跟踪转子两部分组成。定子一般有六个极，它们之间的间隔分别为60度，其中三个极上绕一次绕组，并相互串联后通以高频电源，另外三个极分别绕上二次绕组WA、WB、WC。它们之间分别相隔120度。跟踪转子是一个用非导磁材料做成的圆柱体，并在它上面镶一块120度的扇形导磁材料。在安装时将它与电动机转轴相联，其位置对应于某一磁极。一次绕组所产生的高频磁通通过跟踪转子上的到此材料耦合到二次绕组上，故在二次绕组上产生感应电压，而另外两相二次绕组由于无耦合回路同一次绕组相联，其感应电压基本为零。随着电动机转子的转动，扇形片也跟着旋转，使之离开当前耦合一次绕组而向下一个一次绕组靠近。就这样，随着电动机转子运动，在开口变压器二次绕组上分别感应出电压。扇形导磁片的角度一般略大于120度电角度，常采用130度电角度左右。在三相全控电路中，为了换相译码器的需要，扇形导磁片的角度为180度电角度。同时，扇形导磁片的个数应同直流无刷电动机的极对数相等。
接近开关式位置传感器主要由谐振电路及扇形金属转子两部分组成，当扇形金属转子接近震荡回路电感L时，使该电路的Q值下降，导致电路正反馈不足而停振，故输出为零。扇形金属转子离开电感元件L时，电路的Q值开始上升，电路又重新起振，输出高频调制信号，经二极管检波后，取出有用控制信号，去控制逻辑开关电路，以保证电动机正确换向。
光电式位置传感器前面已经讲过，是利用光电效应制成的，由跟随电动机转子一起旋转的遮光板和固定不动的光源及光电管等部件组成。
磁敏式位置传感器是指它的某些电参数按一定规律随周围磁场变化的半导体敏感元件。其基本原理为霍尔效应和磁阻效应。常见的磁敏传感器有霍尔元件或霍尔集成电路、磁敏电阻器及磁敏二极管等多种。
研究结果表明，在半导体薄片上产生的霍尔电动势E可用下式表示：
式中RH ——霍尔系数（）；
IH——控制电流（A）；
B——磁感应强度（T）；
d——薄片厚度（m）；
p——材料电阻率（Ω*s）；
u——材料迁移率（）；
若在上式中各常数用KH表示，则有
E=KHIHB
霍尔元件产生的电动势很低，直接应用很不方便，实际应用时采用霍尔集成电路。霍尔元件输出电压的极性随磁场方向的变化而变化，直流无刷电动机的位置传感器选用开关型霍尔集成电路。
磁阻效应是指元件的电阻值随磁感应强度而变化，根据磁阻效应制成的传感器叫磁阻电阻。
三相直流无刷电动机的运行特性
要十分精确地分析直流无刷电动机的运行特性，是很困难的。一般工程应用中均作如下假定：
（1）电动机的气隙磁感应强度沿气隙按正弦分布。
（2）绕组通电时，该电流所产生的磁通对气隙所产生的影响忽略不计。
（3）控制电路在开关状态下工作，功率晶体管压降为恒值。
（4）各绕组对称，其对应的电路完全一致，相应的电气时间常数忽略不计。
（5）位置传感器等控制电路的功耗忽略不计。
由于假设转子磁钢所产生的磁感应强度在电动机气隙中是按正弦规律分布的，即
B=BMsinθ 。这样，如果定子某一相绕组中通一持续的直流电流，所产生的转矩为
TM=ZDLBMrIsinθ
式中，ZD——每相绕组的有效导体数；
L——绕组中导线的有效长度，即磁钢长度；
r——电动机中气隙半径；
I——绕组相电流。
就是说某一相通以不变的直流后，它和转子磁场作用所产生的转矩也将随转子位置的不同而按正弦规律变化，如图5所示。
图5 在恒定电流下的单相转矩
它对外负载讲，所得的电动机的平均转矩为零。但在直流无刷电动机三相半控电路的工作情况下，每相绕组中通过1/3周期的矩形波电流。该电流和转子磁场作用所产生的转矩也只是正弦转矩曲线上相当于1/3周期的一段，且这一段曲线与绕组开始通电时的转子相对位置有关。显然在图6 a所示的瞬间导通晶体管，则可产生最大的平均转矩。因为在这种情况下，绕组通电120度的时间里，载流导体正好处在比较强的气隙磁场中。所以它所产生的转动脉动最小，平均值较大。习惯上把这一点选作晶体管开始导通的基准点，定为。在=0度的情况下，电动机三相绕组轮流通电时所产生的总转矩如图6b 所示。
图6 三相直流无刷电动机半空桥转矩
如若晶体管的导通时间提前或滞后，则均将导致转矩的脉动值增加，平均值减小。当=30度时，电动机的瞬时转矩过零点，这就是说，当转子转到某几个位置时，电动机产生的转矩为零，电动机起动时会产生死点。当≥30度后，电动机转矩的瞬时值将出现负值，则总输出转矩的平均值更小。因此，在三相半控的情况下，特别是在起动时，不宜大于30度，而在直流无刷电动机正常运行时，总是尽力把角调整到0度，使电动机产生的平均转矩最大。当=0度时，可以求得输出转矩的平均值：
电动机在电动转矩的作用下转动后，旋转的转子磁场就要切割定子绕组，在各相绕组上感生出电动势，当其转速n不变时，该电动势波形也是正弦波，相位同转矩相位一
致。在本电路中，每相绕组在一个周期中只通电，因此仅在这期间对外加电压起作用。所以对外加电压而言，感生电动势波形如图7所示。
图7 三相直流无刷电动机半控电路的反电动势
同理可按下式求得感生电动势的平均值：
从上面的平均转矩和平均反电动势，便可求得直流无刷电动机稳定运行时的电压平衡方程式，为此首先定义反电动势系数和转矩系数：
对于某个具体的电动机，它们为常数。当然，其大小同主回路的接法以及功率晶体管的换相方式有关。
直流无刷电动机三相半控桥的电压平衡方程组为：
其中，，，将其代入上式整理后，可得其机械特性方程为
式中n——电动机转速（r/min ）；
U——电源电压（V）；
△U——功率管管压降（V）；
Kc——电动势系数；
Ta——电动机产生的电动转矩平均值（N?m）；
KT——转矩系数；
R——电动机的内阻（Ω）。
在三相半控电路中，其转矩的波动在TM 到TM/2 之间，这是直流无刷电动机不利的一面。
三相直流无刷电动机的应用
三相半控电路
常见的三相半控电路如图8所示，图中LA、LB、LC为电动机定子A、B、C三相绕组，
VF1、VF2、VF3为三只MOSFET功率管，主要起开关作用。H1、H2、H3为来自转子位置传感器的信号。如前所述，在三相半控电路中，要求位置传感器的输出信号1/3周期为高电平，2/3周期为低电平，并要求各传感器信号之间的相位也是1/3周期。
图8 三相半控桥电路
和一般电动机一样，在电动机起动时，由于其转速很低，故转子磁通切割定子绕组所产生的反电动势很小，因而可能产生过大电流I。为此，通常需要附加限流电路，图9为常见的一种，图中的电压比较器，主要用来限制主回路电流，当通过电动机绕组的电流I在反锁电阻Rf上的压降IRf大于某给定电压U0时，比较器输出低电平，同时关断了VF1、VF2、VF3 三只功率场效应晶体管，即切断了主电路。当IRf《U0时，比较器不起任何作用。当IRf〈U0时，比较器输出高电平，这时它不起任何作用。I0=U0/Rf 就是所要限制的电流最大值，其大小视具体要求而定。一般取额定电流的2倍左右。
图9 起动电流的限制
三相Y联结电路
三相半控电路结构简单，但电动机本体的利用率很低，每个绕组只通电1/3周期，没有得到充分的利用，而且在运行中转矩波动较大。在要求较高的场合，一般均采用如图10所示的三相全控电路。三相全控电路有两两换相和三三换相两种方式
图10 三相全控电路
在该电路中，电动机的三相绕组为Y联结。如采用两两通电方式，当电流从功率管VF1和VF2导通时，电流从VF1流入A相绕组，再从C相绕组经VF2流回到电源。如果认定
流入绕组的电流所产生的转矩为正，那么从绕组所产生的转矩为负，他们合成的转矩大小为，方向在Ta和-Tc角平分线上。当电动机转过60度后，由VF1VF2通电换成VF2VF3通电。这时，电流从VF3流入B相绕组，再从C相绕组流出经VF2回到电源，此时合成的转矩大小同样为。但合成转矩T的方向转过了60度电角度。而后每次换相一个功率管，合成转
矩矢量方向就随着转过60度电角度。所以，采用三相Y联结全控电路两两换相方式，合成转矩增加了倍。每隔60度电角度换相一次，每个功率管通电120度，每个绕组通电240度，其中正向通电和反向通电各120度。其输出转矩波形如图11所示。从图中可以看出，三相全控室的转矩波动比三相半控时小，从0.87Tm到Tm 。
图11 全控桥输出波形图
三三通电方式，这种通电的顺序为VF1VF2VF3、VF2VF3VF4、VF3VF4VF5、
VF4VF5VF6、VF5VF6VF1、VF6VF1VF2、VF1VF2VF3。当VF6VF1VF2导通时，电流从VF1管流入A相绕组，经B和C相绕组分别从VF6和VF2流出。经过60度电角度后，换相到VF1VF2VF3通电，这时电流分别从VF1和VF3流入，经A和B相绕组再流入C相绕组，经VF2流出。在这种通电方式里，每瞬间均有三个功率管通电。每隔60度换相一次，每次有一个功率管换相，每个功率管通电180度。合成转矩为1.5Ta.
三相Δ联结电路也可以分为两两通电和三三通电两种控制方式。
两两通电方式的通电顺序是VF1VF2、VF2VF3、VF3VF4、VF4VF5、VF5VF6、VF6VF1、VF1VF2，当VF1VF2导通时，电流从VF1流入，分别通过A相绕组和B、C两相绕组，再从VF2流出。这时绕组的联结是B、C两相绕组串联后再通A相绕组并联，如果假定流过
A相绕组的电流为I，则流过B、C相绕组的电流分别为I/2。这里的合成转矩为A相转矩的1.5倍。
三三通电方式的顺序是VF1VF2VF3、VF2VF3VF4、VF3VF4VF5、VF4VF5VF6、VF5VF6VF1、VF6VF1VF2、VF1VF2VF3，当VF6VF1VF2通电时，电流从VF1管流入，同时经A和B相绕组，再分别从VF6和VF2管流出，C相绕组则没有电流通过，这时相当于A、B两相绕组并联。这时相当于A、B两绕组并联，合成转矩为A相转矩的倍。
直流无刷电动机的微机控制
图12示出采用8751单片机来控制直流无刷电动机的原理框图。8751的P1口同7406反相器联结控制直流无刷电动机的换相，P2口用于测量来自于位置传感器的信号H1、H2、H3，P0口外接一个数模转换器。
图12 直流无刷电动机计算机控制原理图
换相的控制
根据定子绕组的换相方式，首先找出三个转子磁钢位置传感器信号H1、H2、H3的状态，与6只功率管之间的关系，以表格形式放在单片机的EEPROM中。8751根据来自H1、H2、H3的状态，可以找到相对应的导通的功率管，并通过P1口送出，即可实现直流无刷电动机的换相。
起动电流的限制
主回路中串入电阻R13，因此Uf=R13*IM，其大小正比于电动机的电流IM。而Uf和数模转换器的输出电压U0分别送到LM324运算放大器的两个输入端，一但反馈电压大于Uf大于来自数模转换的给定信号U0，则LM324输出低电平，使主回路中3只功率管VF4、VF6、VF2不能导通，从而截断直流无刷电动机定子绕组的所有电流通路，迫使电动机电流下降，一旦电流下降到使Uf小于U0，则LM324输出回到高电平。主回路又具备导通能力，起到了限制电流的作用。
转速的控制
在直流无刷电动机正常运行的过程中，只要通过控制数模转换器的输出电压U0，就可控制直流无刷电动机的电流，进而控制电动机的电流。即8751单片机通过传感器信号的周期，计算出电动机的转速，并把它同给定转速比较，如高于给定转速，则减小P2口的输出数值，降低电动机电流，达到降低其转速的目的。反之，则增大P2口的输出数值，进而增大电动机的转速。
PWM控制的实现
转速控制也可以通过PWM方式来实现。图13和图14为PWM控制实现直流无刷电动机转速的控制。
图13 PWM控制原理图
图14 PWM控制原理图
直流无刷电动机的正转反转，通过改变换相次序来改变其转动方向。具体做法只需要更换一下换相控制表。
变结构控制的实现
当直流无刷电动机处于起动状态或在调整过程中，采用直流无刷电动机的运行模式，以实现动态相应的快速性，一旦电动机的转速到了给定值附近，马上把它转入同步电动机运行模式，以保证其稳速精度。这时计算机只需要按一定频率控制电动机的换相，与此同时，计算机在通过位置传感器的信号周期，来测量其转速大小，并判断它是否跌出同步。一旦失布，则马上转到直流无刷电动机运行，并重新将其拉入同步。
图15 直流无刷电动机的变结构控制
无刷直流电机驱动 James P. Johnson, Caterpiller公司 本章的题目是无刷直流电动机及其驱动。无刷直流电动机（BLDC）的运行仿效了有刷并励直流电动机或是永磁直流电动机的运行。通过将原直流电动机的定子、转子内外对调—变成采用包含电枢绕组的交流定子和产生磁场的转子使得该仿效得以可能。正如本章中要进一步讨论的，输入到BLDC定子绕组中的交流电流必须与转子位置同步更变，以便保持磁场定向，或优化定子电流与转子磁通的相互作用，类似于有刷直流电动机中换向器、电刷对绕组的作用。该原理的实际运用只能在开关电子学新发展的今天方可出现。BLDC电机控制是今天世界上发展最快的运动控制技术。可以预见，随着BLDC的优点愈益被大家所熟知且燃油成本持续增加，BLDC必然会进一步广泛运用。 2011-01-30 23.1 BLDC基本原理 在众文献中无刷直流电动机有许多定义。NEMA标准《运动/定位控制电动机和控制》中对“无刷直流电动机”的定义是：“无刷直流电动机是具有永久磁铁转子并具有转轴位置监测来实施电子换向的旋转自同步电机。不论其驱动电子装置是否与电动机集成在一起还是彼此分离，只要满足这一定义均为所指。”
图23.1 无刷直流电机构形 2011-01-31 若干类型的电机和驱动被归类于无刷直流电机，它们包括： 1 永磁同步电机（PMSMs）； 2 梯形反电势(back - EMF)表面安装磁铁无刷直流电机； 3 正弦形表面安装磁铁无刷直流电机； 4 内嵌式磁铁无刷直流电机； 5 电机与驱动装置组合式无刷直流电机； 6 轴向磁通无刷直流电机。 图23.1给出了几种较常见的无刷直流电机的构形图。永磁同步电机反电势是正弦形的，其绕组如同其他交流电机一样通常不是满距，或是接近满距的集中式绕组。许多无刷直流电
永磁无刷直流电动机的基本工作原理 无刷直流电动机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。 1. 电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。 无刷直流电动机的原理简图如图一所示： 永磁无刷直流电动机的基本工作原理 主电路是一个典型的电压型交-直-交电路，逆变器提供等幅等频5-26KHZ调制波的对称交变矩形波。 永磁体N-S交替交换，使位置传感器产生相位差120°的U、V、W方波，结合正/反转信号产生有效的六状态编码信号：101、100、110、010、011、001，通过逻辑组件处理产生T1-T4导通、T1-T6导通、T3-T6导通、T3-T2导通、T5-T2导通、T5-T4导通，也就是说将直流母线电压依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，这样转子每转过一对N-S极，T1-T6功率管即按固定组合成六种状态的依次导通。每种状态下，仅有两相绕组通电，依次改变一种状态，定子绕组产生的磁场轴线在空间转动60°电角度，转子跟随定子磁场转动相当于60°电角度空间位置，转子在新位置上，使位置传感器U、V、W按约定产生一组新编码，新的编码又改变了功率管的导通组合，使定子绕组产生的磁场轴再前进60°电角度，如此循环，无刷直流电动机将产生连续转矩，拖动负载作连续旋转。正因为无刷直流电动机的换向是自身产生的，而不是由逆变器强制换向的，所以也称作自控式同步电动机。 2. 无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置，所以不论转子的起始位置处在何处，电动机在启动瞬间就会产生足够大的启动转矩，因此转子上不需另设启动绕组。 由于定子磁场轴线可视作同转子轴线垂直，在铁芯不饱和的情况下，产生的平均电磁转矩与绕组电流成正比，这正是他励直流电动机的电流-转矩特性。 电动机的转矩正比于绕组平均电流： Tm=KtIav （N·m） 电动机两相绕组反电势的差正比于电动机的角速度： ELL=Keω （V） 所以电动机绕组中的平均电流为： Iav=（Vm-ELL）/2Ra （A） 其中，Vm=δ·VDC是加在电动机线间电压平均值，VDC是直流母线电压，δ是调制波的占空比，Ra为每相绕组电阻。由此可以得到直流电动机的电磁转矩： Tm=δ·（VDC·Kt/2Ra）-Kt·（Keω/2Ra） Kt、Ke是电动机的结构常数，ω为电动机的角速度（rad/s），所以，在一定的ω时，改变占空比δ，就可以线性地改变电动机的电磁转矩，得到与他励直流电动机电枢电压控制相同的控制特性和机械特性。
三相无刷直流电机系统结构及工作原理
图2.3 直流无刷电动机的原理框图位置传感器在直流无刷电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相。位置传感器种类较多，且各具特点。在直流无刷电动机中常见的位置传感器有以下几种：电磁式位置传感器、光电式位置传感器、磁敏式位置接近传感器【3】。 2.4基本工作原理 众所周知，一般的永磁式直流电动机的定子由永久磁钢组成，其主要的作用是在电动机气隙中产生磁场。其电枢绕组通电后产生反应磁场。其电枢绕组通电后产生反应磁场。由于电刷的换向作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机运行的过程中始终保持相互垂直，从而产生最大转矩而驱动电动机不停地运转。直流无刷电动机为了实现无电刷换相，首先要求把一般直流电动机的电枢绕组放在定子上，把永磁磁钢放在转子上，这与传统直流永磁电动机的结构刚好相反。但仅这样做还是不行的，因为用一般直流电源给定子上各绕组供电，只能产生固定磁场，它不能与运动中转子磁钢所产生的永磁磁场相互作用，以产生单一方向的转矩来驱动转子转动。所以，直流无刷电动机除了由定子和转子组成电动机本体以外，还要由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关共同构成的换相装置，使得直流无刷电动机在运行过程中定子绕组所产生的的磁场和转动中的转子磁钢产生的永磁磁场，在空间始终保持在（π/2）rad左右的电角度。 2.5无刷直流电机参数 本系统采用的无刷电机参数 ·额定功率：100W ·额定电压：24V（DC） ·额定转速：3000r/min ·额定转矩：0.23N?m ·最大转矩：0.46N?m ·定位转矩：0.01N?m ·额定电流：4.0A
无刷直流电机的组成及工作原理 2.1 引言 直流无刷电动机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体三部分组成，电子换相电路一般由控制部分和驱动部分组成，而对转子位置的检测一般用位置传感器来完成。工作时，控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管，进行有序换流，以驱动直流电动机。下文从无刷直流电动机的三个部分对其发展进行分析。 2.2 无刷直流电机的组成 2.2.1 电动机本体 无刷直流电动机在电磁结构上和有刷直流电动机基本一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子采用的重量、简化了结构、提高了性能，使其可*性得以提高。无刷电动机的发展与永磁材料的发展是分不开的，磁性材料的发展过程基本上经历了以下几个发展阶段：铝镍钴，铁氧体磁性材料，钕铁硼（NdFeB）。钕铁硼有高磁能积，它的出现引起了磁性材料的一场革命。第三代钕铁硼永磁材料的应用，进一步减少了电机的用铜量，促使无刷电机向高效率、小型化、节能的方向发展。 目前，为提高电动机的功率密度，出现了横向磁场永磁电机，其定子齿槽与电枢线圈在空间位置上相互垂直，电机中的主磁通沿电机轴向流通，这种结构提高了气隙磁密，能够提供比传统电机大得多的输出转矩。该类型电机正处于研究开发阶段。 2.2.2 电子换相电路 控制电路：无刷直流电动机通过控制驱动电路中的功率开关器件，来控制电机的转速、转向、转矩以及保护电机，包括过流、过压、过热等保护。控制电路最初采用模拟电路，控制比较简单。如果将电路数字化，许多硬件工作可以直接由软件完成，可以减少硬件电路，提高其可靠性，同时可以提高控制电路抗干扰的能力，因而控制电路由模拟电路发展到数字电路。 驱动电路：驱动电路输出电功率，驱动电动机的电枢绕组，并受控于控制电路。驱动电路由大功率开关器件组成。正是由于晶闸管的出现，直流电动机才从有刷实现到无刷的飞跃。但由于晶闸管是只具备控制接通，而无自关断能力的半控性开关器件，其开关频率较低，不能满足无刷直流电动机性能的进一步提高。随着电力电子技术的飞速发展，出现了全控型的功率开关器件，其中有可关断晶体管（GTO）、电力场效应晶体管（MOSFET）、金属栅双极性晶体管IGBT 模块、集成门极换流晶闸管（IGCT）及近年新开发的电子注入增强栅晶体管（IEGT）。随着这些功率器件性能的不断提高，相应的无刷电动机的驱动电路也获得了飞速发展。目前，全控型开关器件正在逐渐取代线路复杂、体积庞大、功能指标低的普通晶闸管，驱动电路已从线性放大状态转换为脉宽调制的开关状态，相应的电路组成也由功率管分立电路转成模块化集成电路，为驱动电路实现智能化、高频化、小型化创造了条件。 2.2.3 转子位置检测电路
1引言无刷直流电机最本质的特征是没有机械换向器和电刷所构成的机械接触式换向机构。现在，无刷直流电机定义有俩种：一种是方波/梯形波直流电机才可以被称为无刷直流电机，而正弦波直流电机则被认为是永磁同步电机。另一种是方波/梯形波直流电机和正弦波直流电机都是无刷直流电机。国际电器制造业协会在1987年将无刷直流电机定义为“一种转子为永磁体，带转子位置信号，通过电子换相控制的自同步旋转电机”，其换相电路可以是独立的或集成于电机本体上的。本次设计采用第一种定义，把具有方波/梯形波无刷直流电机称为无刷直流电机。从20世纪90年代开始，由于人们生活水平的不断提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都向着高效率化、小型化及高智能化发展，电机作为设备的重要组成部分，必须具有精度高、速度快、效率高等优点，因此无刷直流电机的应用也发展迅速[1]。 1.1 无刷直流电机的发展概况 无刷直流电动机是由有刷直流电动机的基础上发展过来的。 19世纪40年代，第一台直流电动机研制成功，经过70多年不断的发展，直流电机进入成熟阶段，并且运用广泛。 1955年，美国的D.Harrison申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电动机的机械电刷的专利，形成了现代无刷直流电动机的雏形。 在20世纪60年代初，霍尔元件等位置传感器和电子换向线路的发现，标志着真正的无刷直流电机的出现。 20世纪70年代初，德国人Blaschke提出矢量控制理论，无刷直流电机的性能控制水平得到进一步的提高，极大地推动了电机在高性能领域的应用。 1987年，在北京举办的德国金属加工设备展览会上，西门子和博世两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器，引起了我国有关学者的注意，自此我国开始了研制和开发电机控制系统和驱动的热潮。目前，我国无刷直流电机的系列产品越来越多，形成了生产规模。 无刷直流电动机的发展主要取决于电子电力技术的发展，无刷直流电机发展的初期，由于大功率开关器件的发展处于初级阶段，性能差，价格贵，而且受永磁材料和驱动控制技术的约束，这让无刷直流电动机问世以后的很长一段时间内，都停
无刷直流电机的工作原理 无刷直流电机的控制结构 无刷直流电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(P)影响： N=120．f / P。在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。无刷直流电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器)，控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说无刷直流电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。 无刷直流驱动器包括电源部及控制部如图 (1) ：电源部提供三相电源给电机，控制部则依需求转换输入电源频率。 电源部可以直接以直流电输入(一般为24V)或以交流电输入(110V/220 V)，如果输入是交流电就得先经转换器(converter)转成直流。不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由换流器(inverter)转成3相电压来驱动电机。换流器(inverter)一般由6个功率晶体管(Q1～Q6)分为上臂(Q1、Q3、Q5)/下臂(Q2、Q4、Q6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供PWM(脉冲宽度调制)决定功率晶体管开关频度及换流器(inverter)换相的时机。无刷直流电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制，所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器(hall-sensor)，做为速度之闭回路控制，同时也做为相序控制的依据。但这只是用来做为速度控制并不能拿来做为定位控制。
（图一） 无刷直流电机的控制原理 要让电机转动起来，首先控制部就必须根据hall-sensor感应到的电机转子目前所在位置，然后依照定子绕线决定开启(或关闭)换流器(inverter)中功率晶体管的顺序，如 下（图二） inverter中之AH、BH、CH(这些称为上臂功率晶体管)及AL、BL、CL(这些称为下臂功率晶体管)，使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。当电机转子转动到hall-sensor感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管(或只开下臂功率晶体管)；要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。 基本上功率晶体管的开法可举例如下： AH、BL一组→AH、CL一组→BH、CL一组→BH、AL一组→CH、AL一组→CH、BL 一组， 但绝不能开成AH、AL或BH、BL或CH、CL。此外因为电子零件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则
无刷直流电机结构、类型和基本原理 一、概述 直流电动机的主要长处是调速和启动特性好，堵转转矩大，被广泛应用于各种驱动装置和伺服系统中。但是，直流电动机都有电刷和换向器，其间形成的滑动机械接触严峻地影响了电动机的精度、性能和可靠性，所产生的火花会引起无线电干扰。缩短电动机寿命，换向器电刷装置又使直流电动机结构复杂、噪声大、维护困难，长期以来人们都在寻求可以不用电刷和换向器装置的直流电动机。 随着电子技术的迅速发展，各种大功率电子器件的广泛采用，这种愿望已被逐步实现。本章要介绍的无刷直流电动机利用电子开关线路和位置传感器来代替电刷和换向器，使这种电动机既具有直流电动机的特性。又具有交流电动机结构简朴、运行可靠、维护方便等优点；它的转速不再受机械换向的限制，若采用高速轴承，还可以在高达每分钟几十万转的转要中运行。 元刷直流电动机用途非常广泛，可作为一般直流电动机、伺服电动机和力矩电动机等使用，尤其适用于高级电子设备、机器人、航空航天技术、数控装置、医疗化工等高新技术领域。无刷直流电动机将电子线路与电机融为一体，把先进的电子技术应用于电机领域，这将促使电机技术更新、更快地发展。 二、无刷直流电动机的基本结构和类型 (一)基本结构 无刷直流电动机是一种自控变频的永磁同步电动机，就其基本组成结构而言．可以认为是由电动机本体、转子位置传感器和电子开关电路三部分组成的“电动机系统”。其基本结构如图5一20所示。 电动机本体在结构上是一台普通的凸极式同步电动机．它包括主定子和主转子两部分，主定子上放置空间互差120。的三相对称电枢绕组Ax、BY、cz，接成星形或三角形，主转子是用永久磁钢制成
第三章、用EL-DSPMCKIV实现无刷直流电动机PWM 控制方案 实验概述： 本实验是一个无刷直流电动机的PWM控制系统。结构简单，用到的模块也较少。下面给出每个模块的输入与输出量名称及其量值格式 （一）、无刷直流电动机PWM 控制原理简介 无刷直流电动机从结构上讲更接近永磁同步电动机（我们在下一章节中做详细介绍），控制方法也很简单，主要是通过检测转子的位置传感器给出的转子磁极位置信号来确定励磁的方向，从而保证转矩角在90 度附近变化，保证电机工作的高效率。定子换相是通过转子位置信号来控制，转矩的大小则通过PWM的方法控制有效占空比来调控。 我公司提供过两种直流无刷电机，一种以前提供过的57BL-02直流无刷电机的额定电压为24V，额定转速为1600rpm，转子极数为4，也就是2 极对，还有一种是现在提供的57BL-0730N1直流无刷电机，该电机额定转速为3000rpm，转子极数为10，也就是5极对，这两种电机的转子位置都由霍尔传感器提供，同时由此计算出电机的转速，控制程序样例没有电流环。 （二）、系统组成方案及功能模块划分 本实验为开环和闭环实验，通过几个模块信号处理最终用BLDCPWM模块产生IPM 驱动信号来控制直流无刷电机转动。
下图为一个开环控制的系统功能框图，参考占空比信号经由RMP2CNTL 模块处理，变成缓变信号送到PWM产生模块。霍尔传感器的输出脉冲信号，经由DSP的CAP1、CAP2、CAP3端口被DSP获取。通过霍尔提供的转子位置信息HALL3_DRV模块判断转子位置，并将该转子位置信息通过计数器传递给BLDC_3PWM_DRV 模块，该模块通过占空比输入、设定开关频率以及转子的位置信息产生相应的PWM 信号作用于逆变器中的开关管，从而驱动电动机旋转。
无刷直流电机工作原理详解 日期: 2014-05-28 / 作者: admin / 分类: 技术文章 1. 简介 本文要介绍电机种类中发展快速且应用广泛的无刷直流电机（以下简称BLDC）。BLDC被广泛的用于日常生活用具、汽车工业、航空、消费电子、医学电子、工业自动化等装置和仪表。顾名思义，BLDC不使用机械结构的换向电刷而直接使用电子换向器，在使用中BLDC相比有刷电机有许多的优点，比如： 能获得更好的扭矩转速特性； 高速动态响应； 高效率； 长寿命； 低噪声； 高转速。 另外，BLDC更优的扭矩和外形尺寸比使得它更适合用于对电机自身重量和大小比较敏感的场合。 2. BLDC结构和基本工作原理 BLDC属于同步电机的一种，这就意味着它的定子产生的磁场和转子产生的磁场是同频率的，所以BLDC并不会产生普通感应电机的频差现象。BLDC中又有单相、2相和3相电机的区别，相类型的不同决定其定子线圈绕组的多少。在这里我们将集中讨论的是应用最为 广泛的3相BLDC。 2.1 定子 BLDC定子是由许多硅钢片经过叠压和轴向冲压而成，每个冲槽内都有一定的线圈组成了绕组，可以参见图2.1.1。从传统意义上讲，BLDC的定子和感应电机的定子有点类似，不过在定子绕组的分布上有一定的差别。大多数的BLDC定子有3个呈星行排列的绕组，每 个绕组又由许多内部结合的钢片按照一定的方式组成，偶数个绕组分布在定子的周围组成了偶数个磁极。
BLDC的定子绕组可以分为梯形和正弦两种绕组，它们的根本区别在于由于绕组的不同连接方式使它们产生的反电动势（反电动势的相关介绍请参加EMF一节）不同，分别呈现梯形和正弦波形，故用此命名了。梯形和正弦绕组产生的反电动势的波形图如图2.1.2和图 2.1.3所示。
PID闭环速度调节器采用比例积分微分控制 闭环速度调节器采用比例积分微分控制（简称PID控制），其输出是输入的比例、积分和微分的函数。PID调节器控制结构简单，参数容易整定，不必求出被控对象的数学模型，因此PID 调节器得到了广泛的应用。 PID调节器虽然易于使用，但在设计、调试无刷直流电机控制器的过程中应注意：PID调节器易受干扰、采样精度的影响，且受数字量上下限的影响易产生上下限积分饱和而失去调节作用。所以，在不影响控制精度的前提下对PID控制算法加以改进，关系到整个无刷直流电机控制器设计的成败。 2速度设定值和电机转速的获取 为在单片机中实现PID调节，需要得到电机速度设定值（通过A／D变换器）和电机的实际转速，这需要通过精心的设计才能完成。 无刷直流电机的实际转速可通过测量转子位置传感器（通常是霍尔传感器）信号得到，在电机转动过程中，通过霍尔传感器可以得到如图2所示的周期信号。 由图2可知，电机每转一圈，每一相霍尔传感器产生2个周期的方波，且其周期与电机转速成反比，因此可以利用霍尔传感器信号得到电机的实际转速。为尽可能缩短一次速度采样的时间，可测得任意一相霍尔传感器的一个正脉冲的宽度，则电机的实际转速为：但由于利用霍尔传感器信号测速，所以测量电机转速时的采样周期是变化的，低速时采样周期要长些，这影响了PID 调节器的输出，导致电机低速时的动态特性变差。解决的办法是将三相霍尔传感器信号相“与”，产生3倍于一相霍尔传感器信号频率的倍频信号，这样可缩短一次速度采样的时间，但得增加额外的硬件开销。直接利用霍尔传感器信号测速虽然方便易行，但这种测速方法对霍尔传感器在电机定子圆周上的定位有较严格的要求，当霍尔传感器在电机定子圆周上定位有误差时，相邻2个正脉冲的宽度不一致，会导致较大的测速误差，影响PID调节器的调节性能。若对测速精度要求较高时，可采用增量式光电码盘，但同样会增加了电路的复杂性和硬件的开销。 电机速度设定值可以通过一定范围内的电压来表示。系统中采用了串行A／D（如ADS7818）来实现速度设定值的采样。但在电机调速的过程中，电机控制器的功率输出部分会对A／D模拟输入电压产生干扰，进行抗干扰处理。 3非线性变速积分的PID算法 （1）PID算法的数字实现 离散形式的PID表达式为： 其中：KP，KI，KD分别为调节器的比例、积分和微分系数；E（k），E（k－1）分别为第k 次和k－1次时的期望偏差值；P（k）为第k次时调节器的输出。 比例环节的作用是对信号的偏差瞬间做出反应，KP越大，控制作用越强，但过大的KP会导致系统振荡，破坏系统的稳定性。积分环节的作用虽然可以消除静态误差，但也会降低系统的响应速度，增加系统的超调量，甚至使系统出现等幅振荡，减小KI可以降低系统的超调量，但会减慢系统的响应过程。微分环节的作用是阻止偏差的变化，有助于减小超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，但其对干扰敏感，不利于系统的鲁棒性。 （2）经典PID算法的积分饱和现象 当电机转速的设定值突然改变，或电机的转速发生突变时，会引起偏差的阶跃，使｜E（k）｜增大，PID的输出P（k）将急剧增加或减小，以至于超过控制量的上下限Pmax，此时的实际控制量只能限制在Pmax，电机的转速M（k）虽然不断上升，但由于控制量受到限制，其增长的速度减慢，偏差E（k）将比正常情况下持续更长的时间保持在较大的偏差值，从而使得PID 算式中的积分项不断地得到累积。当电机转速超过设定值后，开始出现负的偏差，但由于积分项已有相当大的累积值，还要经过相当一段时间后控制量才能脱离饱和区，这就是正向积分饱和，反向积分饱和与此类似。解决的办法：一是缩短PID的采样周期（这一点单片机往往达不到），
基于MCS-51单片机控制直流无刷电动机 学号：3100501044 班级：电气1002 ：王辉军
摘要 直流无刷电机是同步电机的一种，由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。其定子绕组一般制成多相（三相、四相、五相不等），转子由永久磁钢按一定极对数（2p=2,4,…）组成。电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(P)影响： N=120．f / P。在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。直流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器)，控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说直流无刷电机能够在额定负载围当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。 MCS-51单片机是美国英特尔公司生产的一系列单片机的总称，是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力的微处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入输出接口电路、定时计算器、串行通信口、脉宽调制电路、A/D转换器等电路集成到一块半导体硅片上，这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。 本论文将介绍基于MCS-51单片机控制直流无刷电动机的设计，它可以实现控制直流无刷电动机的启动、停止、急停、正反转、加减速等功能。 关键词：单片机，直流无刷电动机，控制系统
直流无刷电动机是在直流电动机的基础之上发展而来的，它是步进电动机的一种，继承了直流电动机的启动转矩大、调速性能好等特点克服了需要换向器的缺点在交通工具、家用电器及中小功率工业市场占有重要的地位。直流无刷电动机不仅在电动自行车、电动摩托车、电动汽车上有着广泛的应用，而且在新一代的空调机、洗衣机、电冰箱、吸尘器，空气净化器等家用电器中也有逐步采用的趋势，尤其是随着微电子技术的发展，直流无刷电动机逐渐占有原来异步电动机变频调速的领域，这就使得直流无刷电动机的应用围越来越广。 本设计就是基于MCS-51系列单片机控制直流无刷电动机，利用所学的知识实现单片机控制直流无刷电动机的启动、停止、急停、正反转，加减速等控制，并对直流无刷电动机运行状态进行监视和报警。详细介绍单片机的种类、结构、功能、适用领域和发展历史、未来前景及其直流无刷电动机的工作原理、控制结构等容，既着重单片机的基本知识、功能原理的深入阐述，又理论联系实际详细剖析单片机控制直流无刷电动机的过程。 1．直流无刷电动机的基本组成 直流无刷电动机是在直流电动机的基础上发展而来的，直流无刷电动机继承了直流电动机启动转矩大、调速性能好的优点，克服了直流电动机需要换向器的缺点，在交通工具、家用电器等生活的方方方面面占有重要的地位。 由于直流无刷电动机既具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点，故在当今国民经济各领域应用日益普及。 直流无刷电动机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。其定子绕组一般制成多相（三相、四相、五相不等），转子由永久磁钢按一定极对数（2p=2,4,…）组成。图3-1所示为三相两极直流无刷电机结构。 三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件联结，A、B、
直流无刷电机工作原理 直流电机简介 无刷直流电机（BLDC）是永磁式同步电机的一种，而并不是真正的直流电机，英文简称BLDC。区别于有刷直流电机，无刷直流电机不使用机械的电刷装置，采用方波自控式永磁同步电机，以霍尔传感器取代碳刷换向器，以钕铁硼作为转子的永磁材料，性能上相较一般的传统直流电机有很大优势，是当今最理想的调速电机。 工作原理 直流电机里边固定有环状永磁体，电流通过转子上的线圈产生安培力，当转子上的线圈与磁场平行时，再继续转受到的磁场方向将改变，因此此时转子末端的电刷跟转换片交替接触，从而线圈上的电流方向也改变，产生的洛伦兹力方向不变，所以电机能保持一个方向转动。 直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。 感应电动势的方向按右手定则确定（磁感线指向手心，大拇指指向导体运动方向，其他四指的指向就是导体中感应电动势的方向）。 导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。 无刷电机优缺点 直流电动机具有快速响应，大起动转矩，从零速到额定转速，额定转矩可提供的性能，但直流电机的优点也是它的缺点，因为DC额定负载机密生产性能不断转移的时刻，电枢与转子磁场须保持恒定90度，这将用刷子和换向器。碳刷，换向器，继而引发电机，碳粉，所以除了元件造成损害的，有限的场合使用。交流无碳刷及整流子，免维护，可靠，应用范围广，但直流电机马达的特点，实现同等性能的必须使用复杂的控制得以实现。今天，功率半导体开关频率成分的快速发展，加快了许多，提升驱动电机的性能。微处理器的速度也越
无刷电机结构图及里面的霍尔信号工作原理 (2009-05-30 17:33:55) 转载 标 签： 教育 霍耳的红线一般接5－12v直流电。推荐5－7v。 霍耳的信号线传递电机里面磁钢相对于线圈的位置，根据三个霍耳的信号控制器能知道此时应该如何给电机的线圈供电（不同的霍耳信号，应该给电机线圈供相对应方向的电流），就是说霍耳状态不一样，线圈的电流方向不一样。 霍耳信号传递给控制器，控制器通过粗线（不是霍耳线）给电机线圈供电，电机旋转，磁钢与线圈（准确的说是缠在定子上的线圈，其实霍耳一般安装在定子上）发生转动，霍耳感应出新的位置信号，控制器粗线又给电机线圈重新改变电流方向供电，电机继续旋转（线圈和磁钢的位置发生变化时，线圈必须对应的改变电流方向，这样电机才能继续向一个方向运动，不然电机就会在某一个位置左右摆动，而不是连续旋转），这就是电子换相。 电动车用无刷直流电机工作原理 摘要: 无刷直流电机因为具有直流有刷电机的特性,同时也是频率变化的装置,所以又名直流变频,国际通用名词为bldc.无刷直流电机的运转效率,低速转矩,转速精度等都比任何控制技术的变频器还要好,所以值得业界关注.本产品已经生产超过55kw,可设计到400kw,可以解决产业界节电与高性能驱动的需求。. 关键词:无刷直流电机永磁同步电机直流变频钕铁硼 abstract: brushless direct current motor has the same dc motor output characteris tics, also named bldc. bldc have higher output torque in low speed, higher efficiency and better speed precision than any control modes of frequency converter drives. this chapte r introduce capacity up to 400kw for the industrial application. key words:brushless direct current motor permanent magnetic synchronous motor bldc ndfeb [中图分类号]tm921 [文献标识码]b 文章编号1561-0330(2003)06-00 1 无刷直流电动机简介 无刷直流电动机的学名叫“无换向器电机”或“无整流子电机”,是一种新型的无级变速电机,它由一台同步电机和一组逆变桥所组成,如图1所示。它具有直流电机那样良好的调速特性,但是由於没有换向器,因而可做成无接触式,具有结构简单,制造方便,不需要经常性维护等优点,是一种现想的变速电机。 在工作原理上有二种不同的工作方式： (1)直流无刷电机:又称“无换向器电机交一直一交系统”或“直交系统”,如图1所示。是将三相交流电源整流后变成直流，再由逆变器转换成频率可调的交流电,但是,注意此处逆变器是工作在直流斩波方式。(2)交流无刷电动机:它是利用交-交变频器向同步机供给交流电。
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/234803581.html, 无刷直流电机控制技术综述 作者：黄秀勇 来源：《山东工业技术》2017年第14期 摘要：在十九世纪电机诞生的时候，其中实用性的电机就是无刷的形式，其得到了广泛 的运用，随着时代的发展，在上世纪中叶的时候晶体管诞生，直流无刷电机也随之应运而生，无刷直流电机的应用十分广泛，在各个领域都有涉猎。 关键词：直流无刷电机；技术研究；控制技术 DOI：10.16640/https://www.doczj.com/doc/234803581.html,ki.37-1222/t.2017.14.201 0 引言 经过不断的演变与发展，无刷直流电机综合了交流电机和直流电机的全部优点出现在人们的视野当中，它的出现大大的提高了生产的效率，减少了能源的消耗，得到了广泛的应用和普及。在电机领域中，新型无刷电机的品种众多，其性能和价格都不尽相同，就其的控制来说具有多种方法。 1 无刷直流电机的特点 随着科技的发展，无刷直流电机的出现代替了许多传统的电机，在各个领域都得到了广泛的应用，它具有传统直流电机的全部优点，但同时又除去了碳刷、滑环结构，它在投入使用的过程中具有速度很低的优点，这就大大的减少了用电率，虽说其速度低但其产生的功率却十分巨大，其体积小、重量轻的优点省去了减速机的超大负载量，在使用的过程中效率十分高。由于其除去了碳刷，所以减少了很多消耗，这就使它的省电率相当高，再加上其在运作时不会产生火花，对于一些爆炸性的场所来说更具备安全性，对其的维修和保养方面来说也是十分容易的。综合其特点来看，和其他种类的电机相比其优异性非常显著，因此，无刷直流电机凭借着其充分的优势在很多场合都发挥着重要的作用。 2 转子位置检测技术 逆变器功率器在进行运转的时候，转子在进行运转的时候位置会发生改变，在其位置发生改变的同时会触发组合，使其组合的状态进行不同的改变，这就是无刷直流电机的运行原理，由此看来，想要准确的控制无刷直流电机的运行就必要确保转子的位置，与此同时还要对转子触发的功率器件组合进行相应准时的切换，想要做到这一点是相当困难的。 通过科技水平的不断提高，相关学者提出了检测转子位置的一种新的办法。首先准备一些非磁性导电质地的材料，把这些材料粘在永磁转子的外部；其次，相关设备在工作时会使非磁性材料上产生涡流效应，进而使转子的位置发生相应的改变，最后通过观察检测电压来确定转
无刷直流电机经典换相方式(转) [日期：2008-12-5] 作者：来源： 1、引言 你希望在你的新产品中使用无刷伺服电机吗？平时，我们可能也常碰到一些关键词，例如“梯形波式”，“正弦波式”和“矢量控制”。只有当你了解了他们的真正含义，才能在你的新设计中选择正确的产品。 在过去的十年甚至二十年中，伺服电机市场已经从有刷伺服转变成无刷伺服的市场，这主要是由无刷伺服的低维修率和高稳定性所决定的。在这十几年中，驱动部分在电路和系统方面的技术已发展的非常完善。控制方式也已经完全可以实现那些关键词所描述的功能。 大部分的高性能的伺服系统都采用一个内部控制环来控制力矩。这个内部的力矩环通过和外部的速度环和位置环的配合以达到不同的控制效果。外部控制环的设计是与匹配的电机没有关系的，而内部的力矩环的设计则与所匹配的电机的性能息息相关。 有刷电机的力矩控制是非常简单的，因为有刷电机自身可完成换相工作。所输出的力矩是和有刷电机两极输入的直流电压成正比的。力矩也可通过P-I控制回路轻松地得到控制。P-I控制回路的主要功能就是通过检测电机实际电流和控制电流之间的偏差，实时地调整电机的输入电压。 图1 由于无刷电机自身没有换相功能，所以相对应的控制方式就比较复杂。无刷电机有三组线圈，有别于有刷电机的两组线圈。为了获得有效的力矩，无刷电机的三组线圈必须根据转子的实际位置进行相互独立的控制。这种驱动方式就充分地说明了对无刷电机控制的复杂性。 2、无刷电机基础 简单来说，无刷电机主要由旋转的永磁体（转子）和三组均匀分布的线圈（定子）组成，线圈包围着定子被固定在外部。电流流经线圈产生磁场，三组磁场相互叠加形成一个矢量磁场。通过分别控制三组线圈上的电流大小，我们可以使定子产生任意方向和大小的磁场。同时，通过定子和转子磁场之间的相互吸引和排斥，力矩便可自由地得到控制。
1、引言 你希望在你的新产品中使用无刷伺服电机吗？平时，我们可能也常碰到一些关键词，例如“梯形波式”，“正弦波式”和“矢量控制”。只有当你了解了他们的真正含义，才能在你的新设计中选择正确的产品。 在过去的十年甚至二十年中，伺服电机市场已经从有刷伺服转变成无刷伺服的市场，这主要是由无刷伺服的低维修率和高稳定性所决定的。在这十几年中，驱动部分在电路和系统方面的技术已发展的非常完善。控制方式也已经完全可以实现那些关键词所描述的功能。 大部分的高性能的伺服系统都采用一个内部控制环来控制力矩。这个内部的力矩环通过和外部的速度环和位置环的配合以达到不同的控制效果。外部控制环的设计是与匹配的电机没有关系的，而内部的力矩环的设计则与所匹配的电机的性能息息相关。 有刷电机的力矩控制是非常简单的，因为有刷电机自身可完成换相工作。所输出的力矩是和有刷电机两极输入的直流电压成正比的。力矩也可通过P-I控制回路轻松地得到控制。P-I控制回路的主要功能就是通过检测电机实际电流和控制电流之间的偏差，实时地调整电机的输入电压。 图1 由于无刷电机自身没有换相功能，所以相对应的控制方式就比较复杂。无刷电机有三组线圈，有别于有刷电机的两组线圈。为了获得有效的力矩，无刷电机的三组线圈必须根据转子的实际位置进行相互独立的控制。这种驱动方式就充分地说明了对无刷电机控制的复杂性。 2、无刷电机基础 简单来说，无刷电机主要由旋转的永磁体（转子）和三组均匀分布的线圈（定子）组成，线圈包围着定子被固定在外部。电流流经线圈产生磁场，三组磁场相互叠加形成一个矢量磁场。通过分别控制三组线圈上的电流大小，我们可以使定子产生任意方向和大小的磁场。同时，通过定子和转子磁场之间的相互吸引和排斥，力矩便可自由地得到控制。
基于TMS320F2812的无刷直流电机控制 以前一个项目里有一部分是使用2812控制无刷直流电机，这里分享一下软硬件设计和程序代码： 1.无刷直流电机的结构和换相原理 无刷直流电机的本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其他启动装置。其转子采用永磁材料制成，而定子上有多相电枢绕组，绕组相数分为两相、三相、四相和五相，但应用最多的是三相和四相。各相绕组分别与外部的电力电子开关电路中相应的功率开关器件连接，位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相连接。 当定子绕组的某一相通电时，该相电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子位置变换成电信号去控制电力电子开关电路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相，这就是直流无刷电动机的换流原理。由于电力电子开关电路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换相器的换相作用。基于TMS320F2812的无刷直流电机控制系统结构图如图1所示。图1中，直流电源通过开关电路相电动机定子绕组供电，位置传感器采用了霍尔传感器，可不断检测转子当前位置，DSP控制器根据当前位置信息来判断哪一相绕组被接通，进而控制开关管的导通与截止，实现电机的换相。 直流无刷电动机控制系统结构图1 图
2 电子换相器的工作原理图图图2给出了一个三相无刷直流电机电子换相原理图。图中符号H1、H2和H3表示三个霍尔位置传感器，它们输出电平信号。当电机的转子运行到x-u平面的正半周（图中虚线标出的区间），则H1传感器输出高电平。同理，当电机的转子分别运行到y-v和z-w，平面的正半周（图中虚线标出的区间），则对应的H2和H3分别输出高电平。由图可见，H1、H2和H3输出 高电平的区间是互有重叠的，如果将H1、H2和H3的输出电平组合成一个向量[H1 H2 H3]，则可以得到6种有效组合：[001]、[010]、[011]、[100]、[110]和[101]，每种组合覆盖整个圆周的1/6（即60°）。控制器根据这六个状态组合来决定开 关电路的哪一相被接通以维持电机的运行，当状态发生变化时，就必须进行相位的切换。对于电机的三相绕组，A、B和C，采用ANC表示直流母线电压施加 到A-C绕组之间；CNA则表示直流母线电压施加到C-A绕组之间，其他类似。注意ANC电流从A→C，而CAN电流从C→A，作为直流电机，绕组电流相反意味着受力是相反的，会导致电机反向转动。 图3给出了6种状态组合下对应的通电绕组的情况，例如在状态[001]通电绕组 是ANB。如果电机正转，则下一个组合状态为[101]，故应将通电绕组切换为ANC；同理，如果电机反转，则下一个组合状态为[101]，故通电绕组应该切换为CNB，以次类推。表1给出了电机正向旋转时，转子位置传感器输出的状态组合[H1 H2 H3] 给出了电机反转时的情况。2与下一个导通绕组之间的对应关系。 表．
1 无刷直流电机的速度控制方案 对无刷直流电机转速的控制即可采用开环控制，也可采用闭环控制。与开环控制相比，速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性：闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比，其性能大大提高；理想空载转速相同时，闭环系统的静差率（额定负载时电机转速降落与理想空载转速之比）要小得多；当要求的静差率相同时，闭环调速系统的调速范围可以大大提高。无刷直流电机的速度控制方案如图1所示。 无刷直流电机控制器可采用电机控制专用DSP（如TI公司的TMS320C24X系列、AD公司的ADMCxx系列），也可采用单片机＋无刷直流电机控制专用集成电路的方案。前者集成度高，电路设计简单，运算速度快，可实现复杂的速度控制算法，但由于DSP的价格高而不适合于小功率低成本的无刷直流电机控制器。后者虽然运算速度低，但只要采用适当的速度控制算法，依然可以达到较高的控制精度，适合于小功率低成本的无刷直流电机控制器。 闭环速度调节器采用比例积分微分控制（简称PID控制），其输出是输入的比例、积分和微分的函数。PID调节器控制结构简单，参数容易整定，不必求出被控对象的数学模型，因此PID调节器得到了广泛的应用。 PID调节器虽然易于使用，但在设计、调试无刷直流电机控制器的过程中应注意：PID调节器易受干扰、采样精度的影响，且受数字量上下限的影响易产生上下限积分饱和而失去调节作用。所以，在不影响控制精度的前提下对PID控制算法加以改进，关系到整个无刷直流电机控制器设计的成败。 2 速度设定值和电机转速的获取
为在单片机中实现PID调节，需要得到电机速度设定值（通过A／D变换器）和电机的实际转速，这需要通过精心的设计才能完成。 无刷直流电机的实际转速可通过测量转子位置传感器（通常是霍尔传感器）信号得到，在电机转动过程中，通过霍尔传感器可以得到如图2所示的周期信号。 由图2可知，电机每转一圈，每一相霍尔传感器产生2个周期的方波，且其周期与电机转速成反比，因此可以利用霍尔传感器信号得到电机的实际转速。为尽可能缩短一次速度采样的时间，可测得任意一相霍尔传感器的一个正脉冲的宽度，则电机的实际转速为：但由于利用霍尔传感器信号测速，所以测量电机转速时的采样周期是变化的，低速时采样周期要长些，这影响了PID调节器的输出，导致电机低速时的动态特性变差。解决的办法是将三相霍尔传感器信号相“与”，产生3倍于一相霍尔传感器信号频率的倍频信号，这样可缩短一次速度采样的时间，但得增加额外的硬件开销。直接利用霍尔传感器信号测速虽然方便易行，但这种测速方法对霍尔传感器在电机定子圆周上的定位有较严格的要求，当霍尔传感器在电机定子圆周上定位有误差时，相邻2个正脉冲的宽度不一致，会导致较大的测速误差，影响PID调节器的调节性能。若对测速精度要求较高时，可采用增量式光电码盘，但同样会增加了电路的复杂性和硬件的开销。 电机速度设定值可以通过一定范围内的电压来表示。系统中采用了串行A／D（如ADS7818）来实现速度设定值的采样。但在电机调速的过程中，电机控制器的功率输出部分会对A／D模拟输入电压产生干扰，进行抗干扰处理。 3 非线性变速积分的PID算法