直流无刷电机与驱动技术

PMSM的问题控制比直流伺服电机要复杂的多；要想实现力矩控制，必须有角位置传感器，以测量d-q坐标系的旋转角；反电势必须是正弦波的，这对电机设计及制造工艺提出了较高的要求。auaieLR反电势必须是正弦波的才能产生正弦电流3.3无刷直流电动机（BrushlessDirectCurrentMotor,BLDC）1、无刷直流电动机结构2、无刷直流电动机工作原理3、力矩和速度的控制4、PWM控制技术1.结构由定子、转子、检测转子磁极位置的传感器及换相电路组成。定子采用叠片结构并在槽内铺设绕组的方式。定子绕组多采用三相并以星形方式连接。将永磁体贴装在非导磁材料表面或镶嵌在其内构成。大部分BLDC采用表面安装方式。多为2到3对极的。磁性材料多采用具有高磁通密度的稀土材料，如銣铁硼等结构上BLDC与PMSM有些相似，但有两点不同：BLDC的转子磁极经专门的磁路设计，可获得梯形波的气隙磁场。而PMSM的气隙磁场是正弦波的。BLDC的定子绕组结构使之产生的反电势是梯形波的。而PMSM绕组结构产生正弦型的反电势。PMSM定子绕组产生正弦型的反电势BLDC的定子绕组产生的反电势是梯形波2.工作原理1）旋转磁场如何产生？BLDC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。假定电机定子为3相6极，相对应极的两个绕组首尾相接组成一相绕组，3相绕组星型连接。BCOMACcab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。假如电流从A相绕组流进，从B相绕组流出，A相绕组产生从COM端指向A端的磁势，B相绕组产生从B端指向COM端的磁势。NNSSi图6-4BCOMACcabNSiF6步通电顺序BCOMACcab146253为产生旋转磁场，三相绕组按按如下规则通电：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：1.A+B-2.C+B-3.C+A-4.B+A-5.B+C-6.A+C-每步仅一个绕组被换相。每步磁场旋转60度，每6步旋转磁场旋转一周。ABCFA+FA-FB-FB+FC-FC+FA+B-FB-C+FA-C+FA-B+FB+C-FA+C-随着磁场的旋转，吸引转子磁极随之旋转。磁场顺时针旋转，电机顺时针旋转：1→2→3→4→5→6磁场逆时针旋转，电机逆时针旋转：6→5→4→3→2→11.A+B-2.C+B-3.C+A-4.B+A-5.B+C-6.A+C-ABCFA+FA-FB-FB+FC-FC+FA+B-FB-C+FA-C+FA-B+FB+C-FA+C-2）如何实现换相？1.A+B-2.C+B-3.C+A-4.B+A-5.B+C-6.A+C-必须换相才能实现磁场的旋转。在无刷电机中，根据转子磁极的位置实现换相。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。并不需要连续的位置信息，仅知道换相点的位置即可。在BLDC中，一般采用3个开关型霍尔传感器测量转子的位置。由其输出的3位二进制编码去控制逆变器中6个功率管的导通实现换相。开关型霍尔传感器霍尔元件+信号处理电路=霍尔传感器利用霍尔效应，当施加的磁场达到“动作点”时，OC门输出低电压，称这种状态为“开”;当施加磁场达到“释放点”使OC门输出高电压，称其为“关”施密特触发器通过引入“磁场门限”消除振荡现象。如果将一只霍尔传感器安装在靠近转子的位置，当转子N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；导通状态保持直到电机旋转使得S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。在S-N交替变化磁场下，传感器输出波形占高、低电平各占50%。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。无刷电机中霍尔传感器输出波形及编码霍尔传感器间隔120度时的输出波形及编码直流无刷电机中一般安装3个霍尔传感器，间隔120度或60度按圆周分布。如果间隔120度，则3个霍尔传感器的输出波形相差120度转子旋转180度后转子磁极极性转换，因此输出信号中高、低电平各占180度。如果规定输出信号高电平为“1”，低电平为“0”，则输出的三个信号可用3位二进制编码表示。每60度编码改变一次。霍尔传感器间隔60度时的输出波形及编码如果3个霍尔开关间隔60度，则输出波形相差60度电角度。间隔120度与60度的二进制编码是不同的。但也是每60度电角度，编码改变一次，输出信号中高、低电平各占180度。111110100000001011111110ABC多对转子磁极时霍尔传感器的输出波形及编码当转子为两对磁极时，如转子旋转一周即360度机械角度时霍尔传感器输出两个周波即720度电角度。机械角度是指电机转子的旋转角度,由Θm表示；电角度是指磁场的旋转角度，由Θe表示。当转子为一对极时，Θm=Θe；当转子为n对极时，Θe=nΘm。例如，所示的BLDC电机转子有两对磁极，3个霍尔开关间隔60度。两周电气旋转对应于一周机械旋转。每60度电角度编码改变一次。输出信号中高、低电平各占180度。换相过程假定定子绕组为3相，转子为2对极，3个霍尔传感器间隔60度按圆周分布，由6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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三个反电势。反电势的大小取决于3个因素：转子的角速度、由转子磁极产生的磁场和定子绕组的匝数。Ea=Eb=Ec=Keω永磁无刷直流电动机的转子磁极经专门的磁路设计，可获得梯形波的气隙磁场，定子采用集中整距绕组，因而感应的电动势也是梯形波的。由逆变器提供与电动势严格同相的方波电流。BLDC电机从功率平衡的角度考虑Tω=EaIa+EbIb+EcIc又因为E=Keω,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：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。auaieLR定子磁势和转子磁势的角度关系按照电机统一规律，必须保证θs-θr为90度，才能取得最大转矩。因旋转磁场是60度增量，看来无法实现这个关系。但通过适当的安排可实现平均90度的关系。如果每一步都使离转子磁极120度的定子磁势所对应的绕组导通，并且当转子转过60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60-120度，平均90度。转子总是朝着着能使θs-θr减小的方向运动,一直延续到下一次换相瞬间.即转子从θs-θr为120°一直运动到θs-θr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θs-θr又变为120°,接着转子又朝θs-θr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换相转矩脉动：每次换相时，由于绕组电感的作用电流不能突变，电流的过渡过程产生力矩波动。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平滑作用。速度的控制auaieLR无刷直流电机和有刷直流电机相似，改变定子绕组电压的幅值即能改变电机速度。但无刷直流电动机与永磁交流同步电机一样，实质上是一种同步电动机。表面上通过改变电压控制速度，实际上通过改变力矩改变电机速度，使霍尔传感器发出的编码信号改变逆变器换相的速度，从而改变电机的供电频率，保证转子转速与供电频率同步。因此是通过电压和频率的协调来控制转速。速度的控制从电动机本身看，它是一台同步电动机，但是如果把它和逆变器、转子位置检测器合起来看，就象是一台直流电动机。直流电机电枢里面的电流本来就是交变的，只是经过换向器和电刷才在外部电路表现为直流。无刷直流电动机逆变器和转子位置检测器替代机械式换向器和电刷。历史上无刷直流电动机有过交流伺服电机、梯形波交流伺服电机、无刷直流电机等多种称呼。234561电流流进电流流出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dq坐标系的旋转速度也即电压频率(磁场旋转速度）来改变电机速度的。控制系统也和DC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。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PWM控制等基本功能。qβdrFsi2BLDC电机的速度---力矩特性曲线在连续工作区，电机可被加载直至额定转矩Tr.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Tp且在特性曲线之内即可。4、PWM控制技术为了使BLDC电机速度可变，必须在绕组的两端加可变电压。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。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。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。计数器(PTMR)PWM周期寄存器（PTPER)比较器占空比置入寄存器PDC1比较器1#死区置入及输出寄存器3#死区置入及输出寄存器2#死区置入及输出寄存器PWM输出驱动器1#PWM发生器2#PWM发生器3#PWM发生器PWM1HPWM1LPWM2HPWM2LPWM3HPWM3L时钟信号PWM输出位控制寄存器OVDCOND例：由dsPIC30F2010的PWM模块产生PWM信号的机制•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。MCPWM的PWM时基模块中有一个专用的16位PTMR计数器和一个PTPER数字寄存器，PTMR对定时时钟计数，PTPER中置入的数字确定了PWM信号的周期。PTMR计数器启动计数后，其计数值与PTPER中置入的数字值比较，两者一致时，就输出一个周期的PWM信号。改变PTPER的值，就可以方便的改变计数的周期，这样就可以改变PWM波形的频率。PWM发生器#中PDC数字寄存器中置入的数字确定了PWM信号的占空比。比较器将设定的比较值PDC*与PTMR计数值相比较，产生PWM波形的跳变。只要实时PDC*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，产生占空比可调的PWM波形。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一段死区。以防止输出驱动器发生意外的直通现象。特殊函数寄存器OVDCOND中的各位直接控制6个PWM输出通道。当位为1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0时，其输出被禁止。OVDCOND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。A+C-A+B-C+B-C+A-B+A-B+C-例1由单片机控制的开环BLDC系统：例2单片三相无刷直流电动机控制器SI9979SI9979特点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。自动换相功能集成逆变器高端驱动PWM输入及处理电流限制，欠电压保护20到40电源电压例3:由DSP控制的闭环BLDC系统Si9979电机驱动MOSFET三相桥PWM、DIR、EN、BRAKEBLDCM编码器HALL元件转子位置反馈转速PI调节位置P调节编码器信号的处理光藕隔离位置、速度给定TMS320LF2407ADSPBLDC的特点与DC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、高速度范围、容易散热