无刷直流电机的原理和控制介绍

©2009Hogan&HartsonLLP.Allrightsreserved.December.2014无刷直流电机的原理和应用TheprincipleandapplicationofBrushlessDCMotor2目录发展历程无刷直流电机的优势应用领域基本原理控制技术3发展历程初衷：克服机械换相带来的缺点，以电子换相取代机械换相发展过程：1955年美国D．Harrison等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利，标志着现代无刷电动机的诞生；而电子换相的无刷直流电动机真正进入实用阶段，1978年德国推出MAC无刷直流电动机及其驱动器的推出，标志着走入实用化阶段；之后，国际上对无刷直流电动机进行了深入的研究，先后研制成方波无刷电机和正弦波直流无刷电机发展方向：控制更精密；功率更大；无位置传感器；降低转矩波动；4无刷电机优点（一）有刷电机采用机械换向，寿命短﹑噪声大﹑产生电火花，效率低。它长期使用碳刷磨损严重，较易损坏。同时磨损产生了大量的碳粉尘，这些粉尘落轴承中，使轴承油加速干涸，电机噪声进一步增大。有刷电机连续使用一定时间就需更换电机内碳刷。无刷电机以电子换向取代机械换向，无机械摩擦，无磨损，无电火花，免维护且能做到更加密封等特点所以技术上要优于有刷电机。无刷直流电动机的永磁体，现在多采用高磁能积的稀土钕铁硼材料。因此，稀土永磁无刷电动机的体积比同容量三相异步电动机缩小了一个机座号。5无刷电机优点（二）无刷直流电机的高效率，高效区域大，功率和转矩密度高，功率因数（COSΦ）接近1，系统效率＞90%,永磁无刷直流电机在任何情况下转子都是同步运行，交流变频电机是变频调速，无刷直流电机是调速变频，电机在同步转速下运行，转子既无铜耗又无铁耗。无刷直流电机具有低电压特性好，转矩过载特性强，启动转矩大（堵转特性），启动电流小等优点。宽调速﹑小体积﹑高效率和稳态转速误差小，自控式运行的，可以重载启动，在负载突变时不会产生振荡和失步6应用领域汽车：空调；油泵电机；电动汽车驱动电机；电动自行车；摩托车起动电机等家用电器：变频空调；变频冰箱；变频洗衣机；吸尘器；搅拌机等；工业自动化设备：缝纫机；高档数控加工设备、工业智能机器人、自动化生产流水线、自动纺织、包装、冶金等；精密电子设备和仪器：医疗器械；打印机；复印机等；其它：航空航天；兵器等;7基本原理（一）无刷直流电机组成部分：电机本体、位置传感器、电子开关线路；电机本体在结构上与永磁同步电动机相似；电子开关线路由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两部分组成；电子开关线路导通次序是与转子转角同步的，起机械换向器的换向作用。+-ABCA’B’C’1V2V3V位置传感器无刷直流电机电子开关线路8基本原理（二）无刷直流电动机结构定子永磁转子传感器定子传感器转子9基本原理（三）转子每转过60o，逆变器开关管换流一次、定子磁状态改变一次，电机有6个磁状态，三相各导通120o——两相导通三相六状态转子磁场顺时针连续旋转、定子磁场隔60O跳跃旋转——自同步电机10基本原理（四）11基本原理（五）12控制系统（一）控制电路对转子位置传感器检测的信号进行逻辑变换后产生脉宽调制PWM信号，经过驱动电路放大送至逆变器各功率开关管，从而控制电动机各相绕组按一定顺序工作，在电机气隙中产生跳跃式旋转磁场。13控制系统（二）VT2VT6VT4VT1VT3VT5ABC+US-位置检测器的三个输出信号通过逻辑电路控制这些开关管的导通和截止，其控制方式有两种：二二导通方式和三三导通方式。14控制系统（三）有位置传感器检测磁敏式光电式电磁式接近开关式正余弦变压器编码器15控制系统（四）无位置传感器检测反电动势检测续流二极管工作状态检测定子三次谐波检测瞬时电压方程法16控制系统（五）对于单相交流电源供电、电机采用三相电枢绕组时，典型的开关主电路通常由整流电路、滤波电路、缓冲电路和逆变电路构成17控制系统（六）逆变电路：功率开关管T1~T6、续流二极管D1~D6功率开关管Tl~T6通常为GTR、功率MOSFET、IGBT、GTO以及MCT等功率电子器件，也可以为功率集成电路PIC或智能功率模块IPM18控制系统（七）驱动电路将控制电路的输出信号进行功率放大，并向各开关管送去能使其饱和导通和可靠关断的驱动信号。驱动电路的工作方式直接影响着开关管的一些参数和特性，从而影响着整个电机控制系统的正常工作。开关管的种类不同，对驱动信号的要求也不同，因而对应的驱动电路也不同。19控制系统（八）20控制系统（九）控制电路是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，它主要完成以下功能：1)对转子位置传感器输出的信号、PWM调制信号、正反转和停车信号进行逻辑综合,给驱动电路提供各开关管的斩波和选通信号,实现电机的正反转及停车控制。2)产生PWM调制信号，使电机的电压随给定速度信号而自动变化，实现电机开环调速。3)对电动机进行速度闭环调节和电流闭环调节，使系统具有较好的动态和静态性能。4)实现短路、过流和欠压等故障保护功能等。21控制系统（十）控制器模拟控制系统数字控制系统分立元件加少量集成电路构成的模拟控制系统基于专用集成电路的控制系统数模混合控制系统全数字控制系统22控制系统（十一）可以实现较复杂的控制提高了控制的灵活性和适应性无零点漂移，控制精度高可提供人机界面，多机联网工作使电路更简单用微处理器取代模拟电路作为电动机的控制器有以下优点23控制系统（十二）速度给定转向设定ACH0WG1WG1WG2WG2WG3WG3栅极驱动电路IR2130IGBT位置传感器P0.1逆变器BLDCMEPAP0.2P0.3P0.480C196MC过电压、过电流保护电路中断24控制系统（十三）电动机无刷直流refIphaseI调节器PID),(baIIABSMAX滤波数字低通aIbI同步/PWM控制三相逆变器位置25控制系统（十四）同步PWM产生单元相电流采样电路电机转速计算单元换流位置计算单元瞬时无功转矩算法单元永磁无刷电机三相电压逆变电路位置传感电路电流调节单元电机通信控制单元CAN温度信号处理电路电压信号处理电路驱动信号隔离26控制系统（十五）