直流無刷電機(jī)工作原理分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u2021直流無刷電機(jī)工作原理分析概述 1283431.1傳統(tǒng)直流電機(jī)基本組成 1276971.2無刷直流電機(jī)基本組成 256671.3無刷直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn) 2185901.4無刷直流電機(jī)運(yùn)行原理 366301.4.1無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu) 3160851.4.2無刷直流電機(jī)的運(yùn)行方式 4196821.4.3無刷直流電機(jī)的電路連接方式 557951.5無刷直流電機(jī)調(diào)速原理 9241511.6不同PWM調(diào)制方式對無刷直流電機(jī)調(diào)速的影響 10220871.6.1脈寬調(diào)制的含義 1019231.6.2不同脈寬調(diào)制的對比 12220411.7無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測 15315271.7.1位置傳感器檢測法 15293061.7.2無位置傳感器檢測法 151.1傳統(tǒng)直流電機(jī)基本組成圖1.1直流電機(jī)示意圖1.2無刷直流電機(jī)基本組成圖1.2BLDC電機(jī)示意圖1.3無刷直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)無刷直流電機(jī)因其可以通過控制開關(guān)管的通斷使其轉(zhuǎn)矩時(shí)刻保持在最大值，所以它的第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是高效率。而直流電機(jī)只有在旋轉(zhuǎn)一周期間的一瞬間可以產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，不能時(shí)刻保持最大轉(zhuǎn)矩。如果直流電機(jī)想要達(dá)到無刷電機(jī)相同大的轉(zhuǎn)矩就需要增大其磁體體積。相對于有刷電機(jī)來說無刷電機(jī)取消了電刷，從而避免了有刷電機(jī)在旋轉(zhuǎn)過程產(chǎn)生的噪音和電火花現(xiàn)象，這是無刷電機(jī)第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)。無刷電機(jī)可以通過周密的控制來減少電機(jī)的電損耗，這時(shí)無刷電機(jī)第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)。1.4無刷直流電機(jī)運(yùn)行原理1.4.1無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)無刷電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1.3所示。直流電機(jī)是定子是磁體，轉(zhuǎn)子是繞組的結(jié)構(gòu)，而無刷直流電機(jī)正好相反，它的定子繞有線圈，而轉(zhuǎn)子是一塊永磁體，所以無需像轉(zhuǎn)子通電，這樣就實(shí)現(xiàn)了無需電刷就可以使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。另一方面，無刷電機(jī)不是簡單的將線圈接入到電源正負(fù)極就可以了，其控制相對于有刷電機(jī)變得復(fù)雜一些。無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子是永磁體，因此就無法像直流電機(jī)一樣通電就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)了。但是因此無需電刷及換向器，可謀求延長使用壽命。圖1.3BLDC電機(jī)的外觀及內(nèi)部構(gòu)造1.4.2無刷直流電機(jī)的運(yùn)行方式為了研究無刷電機(jī)的運(yùn)行方式，雖然在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中會(huì)有多對極的電機(jī)，但為了研究無刷電機(jī)的運(yùn)行方式，我們將其理想化為一對極來進(jìn)行研究其運(yùn)行原理。圖1.4一對極無刷電機(jī)如圖1.4所示，我們可以將無刷電機(jī)的線圈其命名為U、V、W，分別向這三個(gè)線圈通電后會(huì)產(chǎn)生各自的磁通量。首先向U相通電，其產(chǎn)生的磁通量如圖1.5所示。但實(shí)際上電機(jī)采用的是三相星型接法，我們無法僅僅向其中一相進(jìn)行通電。所以我們在這里采用向UW兩相進(jìn)行通電，如圖1.6所示在兩相線圈U、W產(chǎn)生磁通量。將這兩相的磁通量進(jìn)行合成就和得到如圖1.7所示那樣較大的磁通量了。轉(zhuǎn)子永磁體會(huì)被吸引而發(fā)生旋轉(zhuǎn)，以使轉(zhuǎn)子N極方向與合成磁通量方向一致。圖1.5U相通電時(shí)磁通量方向 圖1.6UW通電時(shí)磁通量方向圖1.7UW合成磁通量方向通過控制三相全橋開關(guān)管的通斷來改變合成磁通量的方向，進(jìn)而帶動(dòng)著轉(zhuǎn)子不斷的旋轉(zhuǎn)。1.4.3無刷直流電機(jī)的電路連接方式圖1.8電機(jī)連接圖直流無刷電機(jī)控制電路采用三相星形全控橋式連接方式，如上圖1.8所示。采用三相星型連接方式時(shí)有兩相是導(dǎo)通的，另外一項(xiàng)相是斷開的。逆變電路由六個(gè)開關(guān)管組成，每個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通120度，它們的相位相差60度。假設(shè)無刷電機(jī)開始時(shí)是A、B相導(dǎo)通，此時(shí)是開關(guān)管T1和T5導(dǎo)通，電流從T1流入繞組A相，后又從B相經(jīng)T5開關(guān)管回到電源。這種狀態(tài)會(huì)保持60個(gè)電角度，只有位置傳感器檢測到位置信號(hào)時(shí)才開始換相，這時(shí)控制電路將關(guān)閉T5，同時(shí)開啟T6，這時(shí)導(dǎo)通相變?yōu)锳、C相，不斷循環(huán)。開關(guān)管的導(dǎo)通順序是T6T1、T1T2、T2T3、T3T4、T4T5、T5T6，此時(shí)直流無刷電機(jī)導(dǎo)通順序是AB、AC、BC、BA、CA、CB。下圖是無刷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子示意圖，下面對這六換相個(gè)時(shí)刻一一分析。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到圖a的位置時(shí)，該時(shí)刻是轉(zhuǎn)子開始換相的前一個(gè)時(shí)刻，此時(shí)電流流向BC兩相。位置傳感器檢測到位置信號(hào)時(shí)就會(huì)觸發(fā)換相,這時(shí)A相會(huì)開始導(dǎo)通，同時(shí)C相會(huì)斷開，B相保持不變，實(shí)現(xiàn)AC兩相換相。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)到圖c時(shí)，電機(jī)已經(jīng)轉(zhuǎn)過60度電角度，這時(shí)位置傳感器又會(huì)觸發(fā)換相，這時(shí)B相會(huì)斷開，同時(shí)會(huì)導(dǎo)通C相，實(shí)現(xiàn)BC兩相換相。如圖所示，圖c是換相前電流方向，圖d是換相后電流方向。同理，圖e和圖f為直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)過120度電角度時(shí)換相前和換相后的電流方向。圖1.9轉(zhuǎn)子位置圖由上面的描述可以得出直流無刷電機(jī)電流和感應(yīng)電動(dòng)勢波形特性如圖1.10電流是120度寬度的矩形波感應(yīng)電動(dòng)勢是120度寬度的梯形波圖1.10電流與感應(yīng)電動(dòng)勢波形圖隨著無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，霍爾傳感器輸出波形如圖1.11所示。在電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)電周期時(shí)位置傳感器會(huì)產(chǎn)生6種編碼狀態(tài)，為110,100,101,001,011,010。開關(guān)管是根據(jù)這六種編碼狀態(tài)進(jìn)行導(dǎo)通或者截至的。圖1.11霍爾波形圖為了使無刷電機(jī)以最大的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，需要霍爾編碼為001時(shí)，電流B相流入，從A相流出，此時(shí)時(shí)AB兩相導(dǎo)通。當(dāng)霍爾編碼為101時(shí)，控制器導(dǎo)通BC兩相。依次類推，霍爾編碼和定子導(dǎo)通順序如表2-1所示。2-1正轉(zhuǎn)換相控制規(guī)則表（PSWPSVPSU）導(dǎo)通相導(dǎo)通功率管001VU(V頭U尾）T3T4101VW(V頭W尾）T3T2100UW(V頭W尾）T1T2110UV(U頭V尾）T1T6010WV(W頭V尾）T5T6011WU(W頭U尾）T5T4同理，當(dāng)直流無刷電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，繞組導(dǎo)通順序和霍爾編碼的關(guān)系完全顛倒，如表2-2所示。2-2反轉(zhuǎn)換相控制規(guī)則表導(dǎo)通相導(dǎo)通功率管101WV(W頭V尾）T5T6100WU(W頭U尾）T5T4110VU(V頭U尾）T3T4010VW(U頭W尾）T3T2011UW(U頭W尾）T1T2001UV(U頭V尾）T1T6隨著無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程，控制器會(huì)根據(jù)位置傳感器反饋的信號(hào)來控制相應(yīng)開關(guān)管的通斷。從而改變氣隙磁場，產(chǎn)生扭矩，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。如此就實(shí)現(xiàn)了直流無刷電機(jī)換相。1.5無刷直流電機(jī)調(diào)速原理無刷電機(jī)定子繞組反電動(dòng)勢表達(dá)式為：(1.1)B是磁感應(yīng)強(qiáng)度，L是導(dǎo)線長度，N為每相電樞繞組串聯(lián)導(dǎo)體的匝數(shù)，V是導(dǎo)體旋轉(zhuǎn)線速度,其表達(dá)式為：(1.2)D是電樞內(nèi)徑，n是電機(jī)轉(zhuǎn)速，p是極對數(shù)，t是極距。將公式(1.1)和(1.2)合并得：（1.3）而氣隙磁通量表達(dá)式為：（1.4）a為計(jì)算極弧度系數(shù)，把（1.4）帶入（1.3）得反電動(dòng)勢為：（1.5）因?yàn)闊o刷電機(jī)采用星型連接，每一時(shí)刻都有兩相導(dǎo)通，所以其線電動(dòng)勢為：（1.6）其中Ce為電動(dòng)勢常數(shù)令兩相導(dǎo)通的電壓為u,那無刷電機(jī)電壓平衡方程為：（1.7）把式(1.6)代入上式(1.7)經(jīng)過化簡可得:(1.8)由式(1.8)可以知道，無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速只與磁場強(qiáng)度和電樞電壓u有關(guān)。由此可得無刷電機(jī)調(diào)速主要是弱磁調(diào)速和調(diào)壓調(diào)速這兩種辦法。調(diào)壓調(diào)速包括用PWM來調(diào)節(jié)占空比調(diào)節(jié)從而進(jìn)行調(diào)壓，控制晶閘管的相位角，直流變換電路這三種方式。因?yàn)镻WM控制技術(shù)簡單等特點(diǎn)，還可以起到抑制諧波的優(yōu)點(diǎn)，所以本文將采用PWM的方式來進(jìn)行調(diào)壓輸出。弱磁調(diào)速主要是改變電勢常數(shù)Ce。但由于轉(zhuǎn)子為永磁體，上述參數(shù)基本固定不變，所以這種方法無法實(shí)施。1.6不同PWM調(diào)制方式對無刷直流電機(jī)調(diào)速的影響1.6.1脈寬調(diào)制的含義PWM的全稱是脈沖寬度調(diào)制的意思，改變脈沖的寬度也就是改變t在一個(gè)周期T的占比。我們在一次調(diào)制當(dāng)中所能夠改變的最小值Δtmin稱為PWM的分辨率?；靖拍钣校赫伎毡?、分辨率；占空比：它就是在一個(gè)PWM周期當(dāng)中高電位所占用的時(shí)間與一個(gè)周期的比值,如過一個(gè)PWM的頻率是1Hz，那么它一個(gè)周期使用的時(shí)間就是1s，此時(shí)如果高電位所占用的時(shí)間是0.5s，那么低電位所用的時(shí)間也是0.5s，此時(shí)PWM的占空比就是0.5:0.5，也就是1：1。分辨率：它就是PWM的占空比最小是多少，對于數(shù)字控制系統(tǒng)，如果是16位的PWM控制系統(tǒng)，理論上其分辨率就是1:65535，如果是8位的控制系統(tǒng)那么其理論上的分辨率是1：255。如果t=0，那么其占空比為0%，如果t=T，那么其占空比為100%，16位的PWM就是將100%的占空比分為65536個(gè)檔位，8位的PWM就是將100%的占空比分為256個(gè)檔位，如果擋位越大，那么其分辨率就會(huì)越高，調(diào)速就越順滑。PWM特點(diǎn)PWM控制系統(tǒng)從處理器到被控系統(tǒng)其控制信號(hào)都是數(shù)字量而不是模擬量，這樣就可以有效減少了一系列模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換的過程是其第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，這樣的控制形式可以有效地減少噪聲，只有噪聲的強(qiáng)度達(dá)到使PWM的0變?yōu)?或者是1變?yōu)?的時(shí)候其才會(huì)發(fā)生變化。PWM控制的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其抗干擾的能力，這也和第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是有關(guān)系的，這也解釋了為什么我們經(jīng)常會(huì)將PWM用于通信用途。我們只需要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)镻WM可以擴(kuò)大通信的距離。這時(shí)我們只需要在接收端用一個(gè)濾波調(diào)制裝置就可以將PWM的高頻的方波還原為原先的模擬信號(hào)。PWM控制原理我們假設(shè)有三個(gè)不同的脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)的頻率是1Hz，也就是周期都是1s。第一個(gè)脈沖占空比為80%，第二個(gè)脈沖占空比為60%，第三個(gè)脈沖占空比為40%。那么這些不同占空比的脈沖是如何對模擬電路進(jìn)行控制的呢？我們可以用點(diǎn)亮LED小燈單片機(jī)程序來做一個(gè)形象的類比，當(dāng)我們輸入LED=1時(shí)小燈就會(huì)發(fā)亮，我們輸入LED=0時(shí)小燈就會(huì)熄滅。如果我們控制輸入LED=1或者LED=0的時(shí)間不同時(shí)小燈就會(huì)不斷地閃爍。如果我們把把小燈閃爍的時(shí)間設(shè)置到我們?nèi)庋鄯直娌怀鰜淼某潭鹊脑挘粼谖覀兊难劾锞蜁?huì)呈現(xiàn)出常亮的狀態(tài)，但是我們會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)發(fā)亮的強(qiáng)度沒有我們設(shè)置LED=0時(shí)的發(fā)亮強(qiáng)度大。當(dāng)我們不斷改變LED=0和LED=1時(shí)的時(shí)間不同時(shí)我們會(huì)發(fā)現(xiàn)小燈呈現(xiàn)的亮度強(qiáng)度各不相同，這和模擬電路控制有一樣的效果的感覺了，而不是數(shù)字電路時(shí)簡單的0和1。所以由此可以知道在上述不同的脈沖當(dāng)中，第一個(gè)脈沖小燈呈現(xiàn)的亮度最低，第二個(gè)脈沖亮度次之，第三個(gè)脈沖亮度最高。1.6.2不同脈寬調(diào)制的對比使用PWM進(jìn)行調(diào)壓時(shí)定子端電壓表達(dá)式為:(1.9)E為直流電源電壓,t為開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間,U為定子端電壓，T為PWM波的周期，X=t/T為PWM波的占空比。這時(shí)無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式變?yōu)?1.10)由上面的公式可以得到要想調(diào)節(jié)無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速，只需要調(diào)節(jié)PWM的占空比就行，由（1.10）可知其無刷電機(jī)的占空比和轉(zhuǎn)速成正比。在無刷電機(jī)的控制系統(tǒng)中，一個(gè)周期內(nèi)每個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通120度，導(dǎo)通相位角分別滯后60電角度。采用PWM方式控制開關(guān)管的通斷，PWM信號(hào)控制方式有五種，如圖1.12所示。ON-PWM:開關(guān)管前60度恒導(dǎo)通，后60度受PWM信號(hào)控制，如圖(a)所示。PWM-ON:開關(guān)管后60度恒導(dǎo)通，前60度受PWM信號(hào)控制，如圖(b)所示。HPWM-LON:此時(shí)電路上橋臂開關(guān)管受PWM控制，下橋臂開關(guān)管恒導(dǎo)通，如圖(c)所示。HON-LPWM:此時(shí)下橋臂受PWM控制，上橋臂開關(guān)管恒導(dǎo)通，，如圖(d)所示。HPWM-LPWM:此時(shí)上下橋臂都受PWM控制，如圖(e)所示。其中，ON-PWM、PWM-ON為雙單邊雙管控制方式，HPWM-LON、HON-LPWM為單邊單管控制方式，HPWM-LPWM為雙邊控制方式。圖1.125種PWM控制方式從無刷電機(jī)控制系統(tǒng)的角度出發(fā)，會(huì)綜合以下幾個(gè)因素來選擇PWM控制方式：1.開關(guān)管發(fā)熱損耗1.控制方式實(shí)現(xiàn)的難易程度3.影響無位置檢測方式得到反電動(dòng)勢的程度顯然，使用雙邊調(diào)制時(shí)，每個(gè)開關(guān)管的功率損耗是單邊控制方式的兩倍，從而使開關(guān)管發(fā)熱嚴(yán)重而影響其使用壽命。所以，HPWM-LPWM雙邊控制方式直接淘汰。并且由文獻(xiàn)[10]可知在同等條件下HPWM-LON控制方式無刷電機(jī)電樞電壓尖峰電壓最小，而且包含的諧波量最小，因此在無位置無刷傳感器的BLDC控制系統(tǒng)中可以更容易就獲取到BLDC轉(zhuǎn)子位置，為后面PI控制的仿真電路提供了理論依據(jù)。1.7無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測1.7.1位置傳感器檢測法位置傳