无刷直流BLDC内部资料

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。1.2BLDCM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。ABBCCAABBCCAAB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HALLIC开关型HALLIC锁定型HALLICHALLIC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U0/V0N极S极HC0°60°180°240°120°300°360°60°ttt（d）在BLDCM中的应用NSnHAHBHC：HA：HB：传感器转子HALLIC1.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°ttttttA相：B相：C相：HA：HB：HC：101100110010011001101霍尔信号导通绕组101100110010011001101HAHBHCA+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+-T1T3T4T6T5T2ABCA+B-触发示意图+-T1T3T4T6T5T2ABCA+C-触发示意图A+B-A+C-B+C-B+A-C+A-C+B-T1T6T1T2T3T2T3T4T5T4T5T6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101100110010011001HAHBHCA+B-A+C-B+C-B+A-C+A-C+B-功率管触发信号T1T2T3T4T5T61111111111110000000000000000000000001.4无刷直流电机的调速原理+-T1T3T4T6T5T2ABCUdcBBBBBAAAAAEdtdiLiREdtdiLiRUU2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constiiBA再考虑到稳态时：有ABAERiUU22上式可简化为：nKRiUUeA22则，可得BLDCM的机械特性：TeemeeAeKKRTKUUKRiKUUn2222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“PulseWidthModulation”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UdPWM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（PowerElectronicDevice）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IGBTMOS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RCTASCRTRIAC2、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SCRGTOBJT（GTR）P-MOSFETIGBTMCTSITSITH3、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-MOSFETSITGTOSCRIGBTMCTSITH（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(InsulatedGateBipolarTransistor)，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-SemiconductorField-EffectTransistor,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-effecttransistor）。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NMOSFET、PMOSFET、nMOSFET、pMOSFET等。电力晶体管也称巨型晶体管GTR:GiantTransist