无刷直流电机的组成及工作原理

无刷直流电机的组成及工作原理2.1引言直流无刷电动机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体三部分组成，电子换相电路一般由控制部分和驱动部分组成，而对转子位置的检测一般用位置传感器来完成。工作时，控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管，进行有序换流，以驱动直流电动机。下文从无刷直流电动机的三个部分对其发展进行分析。2.2无刷直流电机的组成2.2.1电动机本体无刷直流电动机在电磁结构上和有刷直流电动机基本一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子采用的重量、简化了结构、提高了性能，使其可*性得以提高。无刷电动机的发展与永磁材料的发展是分不开的，磁性材料的发展过程基本上经历了以下几个发展阶段：铝镍钴，铁氧体磁性材料，钕铁硼（NdFeB）。钕铁硼有高磁能积，它的出现引起了磁性材料的一场革命。第三代钕铁硼永磁材料的应用，进一步减少了电机的用铜量，促使无刷电机向高效率、小型化、节能的方向发展。目前，为提高电动机的功率密度，出现了横向磁场永磁电机，其定子齿槽与电枢线圈在空间位置上相互垂直，电机中的主磁通沿电机轴向流通，这种结构提高了气隙磁密，能够提供比传统电机大得多的输出转矩。该类型电机正处于研究开发阶段。2.2.2电子换相电路控制电路：无刷直流电动机通过控制驱动电路中的功率开关器件，来控制电机的转速、转向、转矩以及保护电机，包括过流、过压、过热等保护。控制电路最初采用模拟电路，控制比较简单。如果将电路数字化，许多硬件工作可以直接由软件完成，可以减少硬件电路，提高其可靠性，同时可以提高控制电路抗干扰的能力，因而控制电路由模拟电路发展到数字电路。驱动电路：驱动电路输出电功率，驱动电动机的电枢绕组，并受控于控制电路。驱动电路由大功率开关器件组成。正是由于晶闸管的出现，直流电动机才从有刷实现到无刷的飞跃。但由于晶闸管是只具备控制接通，而无自关断能力的半控性开关器件，其开关频率较低，不能满足无刷直流电动机性能的进一步提高。随着电力电子技术的飞速发展，出现了全控型的功率开关器件，其中有可关断晶体管（GTO）、电力场效应晶体管（MOSFET）、金属栅双极性晶体管IGBT模块、集成门极换流晶闸管（IGCT）及近年新开发的电子注入增强栅晶体管（IEGT）。随着这些功率器件性能的不断提高，相应的无刷电动机的驱动电路也获得了飞速发展。目前，全控型开关器件正在逐渐取代线路复杂、体积庞大、功能指标低的普通晶闸管，驱动电路已从线性放大状态转换为脉宽调制的开关状态，相应的电路组成也由功率管分立电路转成模块化集成电路，为驱动电路实现智能化、高频化、小型化创造了条件。2.2.3转子位置检测电路永磁无刷电动机是一闭环的机电一体化系统，它是通过转子磁极位置信号作为电子开关线路的换相信号，因此，准确检测转子位置，并根据转子位置及时对功率器件进行切换，是无刷直流电动机正常运行的关键。用位置传感器来作为转子的位置检测装置是最直接有效的方法。一般将位置传感器安装于转子的轴上，实现转子位置的实时检测。最早的位置传感器是磁电式的，既笨重又复杂，已被淘汰；目前磁敏式的霍尔位置传感器广泛应用于无刷直流电动机中，另外还有光电式的位置传感器。2.3电机控制系统总体结构及工作原理本文所采用电机为MAXON公司的EC系列电机，其主要参数如下：额定功率400W、额定电压48V、最大工作电流10.6A、额定转矩688mNm、堵转电流139A、堵转转矩11000mNm、空载电流740mA、空载转速5400rpm、转矩常数85mNm/A、速度常数113rpm/V、机械时间常数4.3ms、最大效率86%、相间电阻0.37Ohm、相间电感0.27mH、转子惯量831gcm2。无刷直流电动机(BLCDM)，它主要由电动机本体，霍尔位置传感器和电子开关线路三部分组成。电动机本体主要包括定子和转子两部分，定予绕组分为A、B、C三相，每相相位相差120。，采用星形连接，三相绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件连接；转子由N、S两极组成，极对数为1。图2.3.1为三相两极无刷直流电机结构。电子开关线路用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和时间，主要由功率逻辑开关单元和霍尔位置传感器信号处理单元两部分组成。功率逻辑开关单元将电源功率以一定的逻辑分配关系分配给电机定子上的各相绕组，以便使电机产生持续不断的转矩。霍尔位置检测器的作用是检测转子磁极相对于定子绕组的位置信号，进而控制逻辑开关单元的各相绕组导通顺序和时间。图2.3.1三相两极无刷直流电机的结构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转矩，驱动转子旋转，再由霍尔位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随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与转子转角同步，因而起到了机械换向器的换向作用。电机采用全桥驱动方式，下面介绍电机工作在全桥驱动方式下的工作原理。图2.3.2是电机全桥驱动方式的电路图，其中Q1,---,Q6为六个功率开关管，它们组成三相桥式逆变器。采用霍尔位置传感器来检测电机的转子位置信号，控制器根据电机的位置信息按一定顺序组合六个功率开关管的导通，这样电机的绕组也就按顺序导通，实现电机的运转。图2.3.2电机全桥驱动方式的电路图这里采用两两通电，三相六状态方式，也就是指每一个瞬间上下桥臂各有两个功率管导通，每隔1／6周期(60º电角度)换相一次，每次换相一个功率管，每个功率管一次导通120。电角度，各功率管导通顺序依次是Q1Q4——Q1Q6——Q3Q6——Q3Q2——Q5Q2——Q5Q4。表2.3.1列出了电机正转和反转时三相逆变器的通电顺序表2.3.1电机全桥驱动的通电规律注：表中“+”表不正向通电，“一”表不反向通电。2.4电机控制策略对于星形连接的三相无刷直流电机，在理想条件下，任何时刻只有两相绕组通电导通，第三相不导通。这时，导通的两相电流大小相等但方向相反，不导通的电流等于0，而且导通的两相反电动势大小也相等，方向相反。设加在两相通电绕组上的电压平均值为U，则电压平衡方程式为：式中，为电枢绕组的电阻压降，为绕组电感压降，为绕组反电动势，为功率开关管压降。其中：是由电机结构参数所决定的电动势常数，B为气隙磁感应强度，n为电机转速。所以，可得到电机转速为：由上式可知，无刷直流电机的转速调节可以通过改变外加平均电压U来实现，当U较大时，电机转速n就较大，当U较小时，电机转速n就较小。因此，控制器可通过PWM(脉宽调制)信号实现电机调速，通过调节逆变器功率开关管的PWM触发信号的占空比来改变外施的平均电压U，从而实现电机的调速。PWM是利用半导体开关管的导通与关断，把直流电压变为一定规律的电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度或周期以实现调压、调频和消除谐波的技术。图3是利用开关管对电机进行PWM调速控制的原理图和输入输出电压波形。在图2.4.1(a)中，当开关管Q1栅极输入Ui为高电平电压时，开关管导通，电机电枢绕组两端电压为Us。t1时间后，栅极输入Ui变为低电平，开关管截止，电机电枢两端电压为零。t2时间后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。这样，对应着开关管Ql栅极输入的电平高低，电机电枢绕组两端的电压波形如图2.4.1(b)所示。图2.4.1PWM调速控制原理和电压波形图电机电枢绕组两端的电压平均值U为：式中，α——占空比。（2.4）占空比α表示了在一个周期T里，开关管导通的时间长短与周期的比值。α的变化范围为O≤α≤1。由式可知，当电源电压Us不变时，电枢绕组两端的电压平均值U取决于占空比α的大小。改变α的值即可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是电机的PWM调速原理。在PWM调速时，占空比α是一个重要参数。由式(2．4)及可知，有三种方法可以改变占空比α的值：(1)定宽调频法：这种方法是保持t1不变，只改变t2，这样使周期T(或频率)也随之改变。(2)调宽调频法：这种方法是保持t2不变，只改变t1，这样使周期T(或频率)也随之改变。(3)定频调宽法：这种方法是保持周期T(或频率)保持不变，而同时改变t1和t2。前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期(或频率)，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此这两种方法使用比较少。所以在本控制器的电机控制系统中，使用定频调宽法。PWM技术又可分为单极性PWM控制和双极性PWM控制。单极性PWM控制的控制信号如图2.4.2(a)所示，在每个60。电角度的区域内，一个功率开关管一直处于开通状态，另一个处于PWM状态；双极性PWM控制的控制信号如图4(b)所示，在每个60º电角度区域内，两个工作的功率管都工作在PWM状态，它们同时开通，同时关断。(a)单极性PWM控制各触发信号(b)单极性PWM控制各触发信号图2.4.2采用单极性PWM控制与采用双极性‘PWM控制相比，电机电流波动较小，而且在双极性PWM控制状态下，6个功率开关管都处于开关状态，功率损耗较大。因此，为了减少电机电流波动以及减少控制器的功耗，本电机控制器采用单极性的PWM控制技术。2.5系统总体结构系统采用速度环和电流环以实现电机的双闭环控制，其外环为速度环，内环采用电流环，速度反馈是通过检测霍尔位置传感器信息计算电机的转速，电流反馈是通过采样电机的相电流来实现的。给定速度与速度反馈量形成偏差，经速度调节后产生电流参考值，它与电流反馈量的偏差经电流调节后形成相应的PWM占空比，最后经过电压逆变将电源电压加到电机三相绕组，实现电机的速度控制，系统的总体结构框图如图2.5.1所示。图2.5.1系统总体结构框图为了获得良好的静、动态性能，本控制器在电机速度调节策略方面，对传统的PID控制进行了改进，采用了积分分离PID控制作为速度调节器的控制算法。由于在数字增量式PID调节控制系统中，虽然积分环节可以消除静差、提高精度，但加入积分校正后，会造成积分积累，产生过大的超调量，在电机的运行过程中，这是不理想的。所以，为了减少在电机运行过程中积分校正对控制系统动态性能的影响，需要在电机的启停阶段或大幅度加减速时，采用积分分离PID控制算法，即只加比例、微分运算，取消积分校正。而当电机的实际速度与给定速度的偏差小于一定值时，则恢复积分校正作用。利用DSP的逻辑运算功能；．可以很方便地确定积分分离PID控制的进程，实现电机的积分分离PID速度控制，弥补模拟PID调节控制的不足，改善系统的控制性能，减少超调量，缩短速度调整时间。电流调节器采用PI调节，就是将速度调节得到的参考电流与实际检测到的电机电流进行比较，它们的偏差值经过PI调节后得到的控制量用于改变PWM的占空比。简要介绍一下整个速度控制系统的原理：首先，通过霍尔位置传感器信息计算出电机运行中的实时转速，然后将实时电机转速和给定的参考速度之间的偏差经积分分离PID调节后，输出电流参考值。其次，将电流参考值与电机实际电流进行比较，得到的偏差值输入电流控制器进行电流PI调节，调节后的控制量用于改变PWM的占空比。最后，输出的PWM占空比经过电压逆变后输入电机，实现电机的速度和电流的双闭环控制。