无刷直流电动机的原理及控制.ppt

1、无刷直流电动机的无刷直流电动机的原理及控制原理及控制1一、无刷直流电机的特点应用三、无刷直流电机的工作原理三、无刷直流电机的工作原理二、无刷直流电机的结构组成二、无刷直流电机的结构组成四、无刷直流电机的控制系统四、无刷直流电机的控制系统五、无刷直流电机的控制方法五、无刷直流电机的控制方法直流电机的优点直流电机的优点：线性机械特性、调速范围宽 控制电路简单、启动转矩大直流电机的缺点直流电机的缺点：结构中带有电刷和换向器，影响了调速的精度直流无刷电动机的产生直流无刷电动机的产生：用电子换向装置代替机械换向装置，同时保留了直流电机和交流电机的优点3一、无刷直流电机的特点和应用电子换向（相）电子换向（

2、相）换向（相）又可以称为“换流”。在无刷直流永磁电机中，来自转子位置传感器的信号，经处理后按一定的逻辑程序，驱使某些与电枢绕组相连接的功率开关晶体管在某一瞬间导通或截止，迫使某些原来没有电流的电枢绕组内开始流通电流，某些原来有电流的电枢绕组内开始关断电流或改变电流的流通方向，从而迫使定子磁状态产生变化。我们把这种利用电子电路来实现电枢绕组内电流变化的物理过程称为电子换向（相）或“换流”。每“换流”一次，定子磁状态就改变一次，连续不断地“换流”，就会在工作气息内产生一个跳跃式的旋转磁场。特性特性无刷直流电机无刷直流电机有刷直流电机有刷直流电机换向器给予霍尔传感器的电子换向电子换向有刷机械换向器寿

3、命较长较长较短扭矩、转速比额定负载下可在所有转速下正常工作高转速时电刷将影响其有高转速时电刷将影响其有效输出转矩效输出转矩效率高效率适中输出功率、外形尺寸比高，好的温度特性由于其线圈是好的温度特性由于其线圈是在定子上，所以有很好的散热特在定子上，所以有很好的散热特性性中等或低，由于电枢产生的热量在电机气隙里散热不良，导致其功率下降转动惯量低，由于转子上是永磁体，有良好的动态特性高，高的转动惯量使其动态性能降低转速高，不受电刷等机械特性的限制高，不受电刷等机械特性的限制低，受电刷等机械特性的限制电磁噪声低高成本高，主要是因为其转子内嵌永磁体低控制器成本复杂且较贵简单且便宜（5）汽车；）汽车；（1

4、）计算机外围设备，如软驱、硬盘、光驱等；）计算机外围设备，如软驱、硬盘、光驱等；（2）办公自动化设备：如打印机、扫描仪、绘图仪等；）办公自动化设备：如打印机、扫描仪、绘图仪等；（3）家电产品：如洗衣机、空调、风扇等；）家电产品：如洗衣机、空调、风扇等；（4）印象设备：如）印象设备：如VCD、摄像机、录像机等；、摄像机、录像机等；（6）数控机床；数控机床；（7）医疗设备等方面和领域。医疗设备等方面和领域。无刷直流电机的应用：无刷直流电机的应用：7二、无刷直流电机的结构组成二、无刷直流电机的结构组成1.1.基本组成基本组成 无刷直流电机构成框图无刷直流电机构成框图82 2.无刷直流电动机结构（与直

5、流电机相反）无刷直流电动机结构（与直流电机相反）（a）结构示意图）结构示意图(b)定转子实际结构定转子实际结构 3.位置检测器 位置检测器有位置传感器检测无位置传感器检测霍尔式（霍尔元件）霍尔元件）光电式（光耦合器件）光耦合器件）电磁式（高频线圈）高频线圈）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（控制算法）（控制算法）10电磁式位置传感器电磁式位置传感器 定、转子磁芯均由高频导磁材料(如软磁铁氧体)制成。定子有6个级，间隔的三个极为同一绕组，接高频电源，作为励磁极，其他为感应极，作为输出端。电机运行时，输入绕组中通以高频激磁电流，当转子扇形磁芯处在输出绕组下面时，输入

6、和输出绕组通过定、转子磁芯耦合，输出绕组中则感应出高频信号，经滤波整形和逻辑处理后，即可控制逆变器开关管。（利用电磁效应）（利用电磁效应）光电式位置传感器光电式位置传感器 v 固定在定子上的几个光电耦合开关和固定在转子轴上的遮光盘所组成每只光电耦合开关是由相互对着的红外发光二极管(或激光器)和光电管(光电二极管，三极管或光电池)所组成。v 红外发光二极管(或激光器)通上电后，发出红外光(或激光)；当遮光盘随着转轴转动时，光线依次通过光槽(孔)，使对着的光电管导通，相应地产生反应转子相对定子位置的电信号，经放大后去控制功率晶体管，使相应的定子绕组切换电流。v 光电式位置传感器产生的电信号一般都较

7、弱，需要经过放大才能去控制功率晶体管。但它输出的是直流电信号，不必再进行整流。（利用光电效应）（利用光电效应）图中两个霍尔元件图中两个霍尔元件H1和和H2以间隔以间隔90电角度粘于电机电角度粘于电机定子绕组定子绕组A和和B的轴线上，的轴线上，并并通上控制电流，通上控制电流，电机转子磁电机转子磁钢兼作位置传感器的转子。钢兼作位置传感器的转子。当当电电机机转转子子旋旋转转时时磁磁钢钢N极极和和S极极轮轮流流通通过过霍霍尔尔元元件件H1和和H2，因因而而产产生生对对应应转转子子位位置置的的两两个个正正的的和和两两个个负负的的霍霍尔尔电电势势，经经放放大大后后去去控控制制功功率率晶晶体体管管导导通通，

8、使使四四个个定定子绕组轮流切换电流。子绕组轮流切换电流。霍霍尔尔无无刷刷直直流流电电动动机机结结构构简简单单，体体积积小小，但但安安置置和和定定位位不不便便，元元件件片片薄薄易易碎碎，对对环环境境及及工工作作温温度度有有一一定定要要求，求，耐震差。耐震差。霍尔式位置传感器霍尔式位置传感器 （利用霍尔效应）（利用霍尔效应）普通直流电动机的电枢在转子上，而定子产生普通直流电动机的电枢在转子上，而定子产生固定不动的磁场。为了使直流电动机旋转，需要通过固定不动的磁场。为了使直流电动机旋转，需要通过换向器和电刷不断改变电枢绕组中电流的方向，使两换向器和电刷不断改变电枢绕组中电流的方向，使两个磁场的方向始

9、终保持相互垂直，从而产生恒定的转个磁场的方向始终保持相互垂直，从而产生恒定的转矩驱动电动机不断旋转。无刷直流电动机为了去掉电矩驱动电动机不断旋转。无刷直流电动机为了去掉电刷，将电枢放到定子上去，而转子制成永磁体，这样刷，将电枢放到定子上去，而转子制成永磁体，这样的结构正好和普通直流电动机相反。的结构正好和普通直流电动机相反。13三、无刷直流电机的工作原理三、无刷直流电机的工作原理1 1.机械结构（无刷）机械结构（无刷）无刷直流无刷直流电机系统图电机系统图 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

10、顺序工作，在电机气隙中产生跳跃式旋转磁场。2 2.控制电路控制电路15无刷直流电动机原理图（三相无刷直流电动机原理图（三相 光电式位置传感器）光电式位置传感器）旋转磁场在一周内有3种状态，每种磁状态持续120，他们跟踪转子，并与转子的磁场相互作用，产生推动转子继续转动的转矩，如此周期重复下去。16无刷直流电机的定子绕组连接主要有：（1）星形联结三相半桥式；（2）星形联结三相桥式星形联结三相桥式；（3）角形联结三相桥式。三种形式，星形联结三相桥式应用最多。3.3.定子绕组连接方式定子绕组连接方式17星形连接三相桥式主电路星形连接三相桥式主电路 位位置置检检测测器器的的三三个个输输出出信信号号通通

11、过过逻逻辑辑电电路路控控制制这这些些开开关关管管的的导导通通和和截截止止，其其控控制制方方式式有有两两种种：二二二二二二二二导导导导通通通通方方方方式式式式和和和和三三三三三三三三导导导导通方式通方式通方式通方式。vv二二导通方式二二导通方式开关管的导通顺序决定共有6种导通状态，间隔60电角度改变一次导通状态，每改变一次状态更换一个开关管，每个开关管导通120电角度，每相绕组导通240。当V1,V2导通时，电流的线路为：电源V1 A相绕组 C相绕组 V2地，其中A相绕组和C相绕组相当于串联。这种连接方式比半桥方式绕组的利用率增加了，输出转矩也增加了。vv三三导通方式三三导通方式开关管的导通顺序

12、决定共有6种导通状态，间隔60电角度改变一次导通状态，每改变一次状态更换一个开关管，每个开关管导通180电角度，导通的时间增加了。当V1,V2，V3导通时，电流的线路为：电源 V1V3 A相绕组和B相绕组C相绕组V2地，其中A相绕组和B相绕组相当于并联，在与C相串联.因为三相同时通电，产生的转矩分量互有抵消，所以总的转矩并不比二二导通方式大。主电路（定子绕组连接方式）选择原则：绕组利用率：三相绕组优于四相、五相绕组转矩脉动：相数越多，转矩脉动越小电路成本：相数越多，电路成本越高（1）三相半桥反转两图比较（1）正转和反转状态中，转子相差了180，位置传感器的输出不能直接去控制电动机的反转。（2）

13、正转通电顺序 A B C 反转通电顺序 C B A办法：增加一套控制反转的位置传感器，但是这样并不经济，安装也 很困难。4.4.无刷直流电机正反转的控制无刷直流电机正反转的控制v在当前状态中，要改变绕组通电状态 在（a）中，要使C相导通。v方法：设计一个逻辑电路，按照表中所示状态进行逻辑转换。在无刷直流电机中，在无刷直流电机中，力矩正比于电流力矩正比于电流，速度正速度正比于电压比于电压，电机转速正比于反电势电机转速正比于反电势，因此其控，因此其控制特性与机械特性均与直流电机基本相同。制特性与机械特性均与直流电机基本相同。5.电机力矩与转速的控制规律：电机力矩与转速的控制规律：25四、无刷直流电

14、机的控制系统四、无刷直流电机的控制系统控制器是无刷直流电动机的三大组成部分之一，它主控制器是无刷直流电动机的三大组成部分之一，它主要包括开关主电路要包括开关主电路(即逆变器即逆变器)、驱动电路和控制电路、驱动电路和控制电路。261 1、开关主电路、开关主电路对于单相交流电源供电、电机采用三相电枢绕组时，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典型的开关主电路通常由整流电路整流电路、滤波电路滤波电路、缓冲缓冲电路电路和和逆变电路逆变电路构成。构成。27整流电路整流电路由变压器由变压器TR1和整流桥和整流桥BRl组成组成,将交将交流电源转换为直流电源流电源转换为直流电源

15、滤波电路滤波电路实现直流电源的低通滤波，形成低内阻硬持性直流电压源，同时与绕组感性负载交换无功功率，其功能由大电容C2实现缓冲电路缓冲电路是为减少开关管承受的尖峰电压。由R3、C3、D7组成RDC缓冲电路。缓冲电容C3应选用高频特性好的无感电容，D7应选择过渡正向电压低、反向恢复时间短的快速恢复二极管。逆变电路：逆变电路：功率开关管T1T6、续流二极管D1D6功率开关管TlT6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IPM282 2、驱动电路、驱动电路 驱动电路驱动电路将控制电路的输出信号进行功率放大，将控制电路的输出信

16、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。动信号。驱动电路的工作方式直接影响着开关管的一些参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数和特性，从而影响着整个电机控制系统的正常工作。作。开关管的种类不同，对驱动信号的要求也不同，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。因而对应的驱动电路也不同。29常见集成驱动电路常见集成驱动电路303 3、控制电路、控制电路控制电路是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速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

17、能的指挥中心，它主要完成以下功能：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、对转子位置传感器输出的信号、PWM调制信号、正调制信号、正反转和停车反转和停车信号进行逻辑综合信号进行逻辑综合,给驱动电路提供各开关给驱动电路提供各开关管的斩波和选通信号管的斩波和选通信号,实现电机的正反转及停车控制。实现电机的正反转及停车控制。2)产生产生PWM调制信号，使电机的电压随给定速度信号调制信号，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。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，使系对电动机进行速度闭环调节和电流闭环调节，使系统具有

18、较好的动态和静态性能。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。实现短路、过流和欠压等故障保护功能等。31控制电路的形式控制电路的形式:1、分立元件全模拟电路、分立元件全模拟电路经济型经济型2、专用集成控制电路、专用集成控制电路 规模化、专用规模化、专用3、数模混合控制电路、数模混合控制电路 半数字化半数字化(PID)4、全数字控制电路、全数字控制电路 高性能高性能(MCU DSP)五、无刷直流电机的控制方法五、无刷直流电机的控制方法（1）单片机控制）单片机控制（2）专用集成电路控制）专用集成电路控制1 1、控制内容、控制内容2 2、控制途径、控制途径换相控制，转速

19、控制，转向控制，启动限流控制等。换相控制，转速控制，转向控制，启动限流控制等。换相以及换向：位置传感器的输出信号，换相以及换向：位置传感器的输出信号，通过软件，产生控制字控制通过软件，产生控制字控制P1口口换速：换速：PWM控制电枢电流控制电枢电流限流控制：电压比较器限流控制：电压比较器1 1、单片机控制、单片机控制2 2、专用集成电路控制、专用集成电路控制 用于无刷直流电机的专用集成电路芯片有很多种，大都用于无刷直流电机的专用集成电路芯片有很多种，大都是针对霍尔式位置传感器的三相无刷直流电动机而设计的。是针对霍尔式位置传感器的三相无刷直流电动机而设计的。它们多数具有换相功能，它们多数具有换相功能，PWM调速功能、转向控制功能、调速功能、转向控制功能、制动控制功能、电动机相数和工作方式选择功能、保护功能制动控制功能、电动机相数和工作方式选择功能、保护功能（如限流、欠压、过热保护等），有些还集成了驱动电路。（如限流、欠压、过热保护等），有些还集成了驱动电路。专用集成电路专用集成电路LM621无转子位置传感器专用集成电路无转子位置传感器专用集成电路TDA5142T如：如：