三相无刷直流电机系统结构及工作原理

三相无刷直流电机系统结构及工作原理2.1电机的分类电机按工作电源种类可分为：1.直流电机：(1)有刷直流电机：①永磁直流电机：·稀土永磁直流电动机；·铁氧体永磁直流电动机；·铝镍钴永磁直流电动机；②电磁直流电机：·串励直流电动机；·并励直流电动机；·他励直流电动机；·复励直流电动机；(2)无刷直流电机：稀土永磁无刷直流电机；2.交流电机：(1)单相电动机；(2)三相电动机。2.2无刷直流电机特点·电压种类多:直流供电交流高低电压均不受限制。·容量范围大:标准品可达400Kw更大容量可以订制。·低频转矩大:低速可以达到理论转矩输出启动转矩可以达到两倍或更高。·高精度运转:不超过1rpm.(不受电压变动或负载变动影响)。·高效率:所有调速装置中效率最高比传统直流电机高出5～30%。·调速范围:简易型/通用型(1:10)高精度型(1:100)伺服型。·过载容量高:负载转矩变动在200%以内输出转速不变。·体积弹性大:实际比异步电机尺寸小可以做成各种形状。·可设计成外转子电机(定子旋转)。·转速弹性大:可以几十转到十万转。·制动特性良好可以选用四象限运转。·可设计成全密闭型IP-54IP-65防爆型等均可。·允许高频度快速启动电机不发烫。·通用型产品安装尺寸与一般异步电机相同易于技术改造。2.3无刷直流电机的组成直流无刷电动机的结构如图2.1所示。它主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。电动机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起动装置。其定子绕组一般制成多相（三相、四相、无相不等），转子由永久磁钢按一定极对数（2p=2,4，…）组成。图2.1直流无刷电动机的结构原理图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的转矩，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，去控制电子开关电路，从而使定子各相绕组按一定顺序导通，定子相电流随转子位置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相作用。如图2.2所示。图2.2无刷直流电动机基本结构图因此，所谓直流无刷电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线路、永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成的“电动机系统”。其原理框图如图2.3所示。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·最大电流：8.0A直流电源电动机开关电路位置传感器·极对数：4·霍尔传感器位置呈60°放置2.6三相无刷电动机主电路及工作方式无刷直流电机有多相结构，每种电动机可分为半桥驱动和全桥驱动，全桥驱动又可分为星形联结和三角形联结以及不同的通电方式。因此，不同的选择会使电动机产生不同的性能和成本，这是每一个应用系统设计者都要考虑的问题。下面做一下对比。（1）绕组的利用率。与普通直流电机不同，无刷直流电动机的绕组是断续通电的。适当地提高绕组通电利用率可以使同时通电导体数增加，使电阻下降，提高效率。从这个角度来看，三相比四相好，四相比无相好，全桥比半桥好。（2）转矩的波动。无刷直流电动机的输出转矩波动比普通直流电动机的大，因此希望尽量减小转矩波动。一般相数越多，转矩的波动越小。全桥驱动比半桥驱动转矩的波动小。（3）电路的成本。相数越多，驱动电路所使用的开关管越多，成本越高。全桥驱动比半桥驱动所使用的开关管多一倍，因此成本要高。多相电动机的结构复杂，成本也高【9】。综合上述分析，本系统采用三相星形（Y）联结全控电路，如图2.4。图2.4三相星形（Y）联结绕组三相全控桥式电路单片机输入控制信号到LM621的输入端，通过内部驱动之后控制信号被加载到功率MOSFET的栅极，通过控制信号驱动MOSFET的开关，这样只要单片机控制好各相输出的相位关系在转子转到合适的位置后进行换相，这样就能在单片机端口输出TTL电平的时候输出端将高压信号直接加载到无刷直流电机的相应相的绕组上。在三相逆变电路中，应用最多的是如图2.4所示的三相桥式全控逆变电路。在该电路中，电动机的三相绕组为星形（Y）联结。VF1、VF2、…、VF6为六只MOSFET功率管，起绕组的开关作用。他们的通电方式又可分为两两导通和三三导通两种方式。1.两两通电方式所谓两两导通方式是指每一瞬间有两个功率管导通，每隔1/6周期（60°电角度）换相一次，每次换相一个功率管，每一功率管导通120°电角度。各功率管的导通顺序是VF1VF2、VF2VF3、VF3VF4、VF4VF5、VF5VF6、VF6VF1、…。当功率管VF1和VF2导通时，电流从VF1管流入A相绕组，再从C相绕组流出，经VF2管回到电源。如果认定流入绕组的电流所产生的转矩为正，那么从绕组流出所产生的转矩则为负，它们合成的转矩如图2.5（a）所示，其大小为3Ta，方向在Ta和－Tc的角平分线上。当电机转过60°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，此时合成的转矩如图2.5（b）所示，其大小同样为3Ta。但合成转矩Tbc的方向转过了60°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°电角度，但大小始终保持3Ta不变。图2.5（c）示出了全部合成转矩的方向。图2.5星形（Y）联结绕组两两通电时的合成转矩矢量图（a）VF1、VF2导通时合成转矩；（b）VF2、VF3导通时合成转矩；（c）两两通电时合成转矩矢量图所以，同样一台无刷直流电动机，每相绕组通过与三相半控电路同样的电流时，采用三相星形（Y）联结全控电路，在两两换相的情况下，其合成转矩增加了3倍。每隔60°电角度换向一次，每个功率管通电120°，每个绕组通电240°，其中正相通电和反相通电各120°，其输出转矩波形如图2.6所示。由图2.6可以看出，三相全控时的转矩波动比三相半控时小得多。如将三只霍尔传感器按相位差120°安装，则它们所产生的波形如图2.7（a）所示。其换相的控制电路可由一片74LS138型3－8译码器和74LS09、74LS38两片门电路构成，本系统采用无刷直流电动机专用集成芯片LM621控制，如图2.7（b）所示。图2.6全控桥输出波形图（a）(b)图2.7全控桥两两通电电路原理示意图（a）传感器输出波形；（b）原理示意图2.三三通电方式所谓三三通电方式，是指每一瞬间均有三只功率管同时通电，每隔60°换相一次，每个功率管通电180°。它们的导通次序是VF1VF2VF3、VF2VF3VF4、VF3VF4VF5、VF4VF5VF6、VF5VF6VF1、VF6VF1VF2、VF1VF2VF3、…。当VF6VF1VF2导通时，电流从VF1流入A相绕组，经B相和C相绕组（这时B、C两相绕组为并联）分别从VF6和VF2流出。这时流过B相和C相绕组的电流分别为流过A相绕组的1/2，其合成转矩如图2.8（a）所示，其方向与A相相同，而大小为1.5Ta。经过60°电角度后，换相到VF1VF2VF3通电，即先关断VF6而后导通VF3（注意，一定要先关VF6而后通VF3，否则就会出现VF6和VF3同时通电，则电源被短路，这是绝对不允许的）。这时电流分别从VF1和VF3流入，经A相和B相绕组（相当于A相和B相并联）再流入C相绕组，经VF2流出，合成转矩如图2.8（b）所示，其方向与-C相同，转子再转过60°电角度后大小仍为1.5Ta。再经过60°电角度后，换相到VF2VF3VF4通电，而后依次类推，循环往复。它们的合成转矩矢量图如图2.8（c）所示。图2.8三三通电时的合成转矩矢量图（a）VF6VF1VF2导通时合成转矩；（b）VF1VF2VF3导通时合成转矩；（c）三三通电时的合成转矩在这种通电方式里，每瞬间均有三个功率管通电。每隔60°换相一次，每次有一个功率管换相，每个功率管导通180°。从某一相上看，星形（Y）联结三三通电方式一相电压波形如图2.9所示。图2.9星形（Y）联结三三通电方式一相电压波形此外，根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路，直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。它们各有特点，本系统使用电压型逆变电路，它有以下特点：（1）直流侧为电压源，或接有大电容，相当于电压源，直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。（2）由于直流电压源的钳位作用，交流侧电压波形为矩形波，并且与阻抗角无关，而交流侧电流波形和相位因负载阻抗角而异。（3）当交流侧为阻感性负载时需提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用，为了给交流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥给臂都并联反馈二极管【8】。电压型逆变电路主要用于两方面：①笼式交流电动机变频调速系统。由于逆变电路只具有单方向传递电能的功能，故比较适用于稳态运行、无需频繁起制动和加、减速的场合。②不停电电源。该电源在逆变入端并接蓄电池，类似于电压源。