无刷无霍尔直流电机 ma
目录
1直流无刷无霍尔电机原理 (2)
2 总体设计方案 (3)
3 硬件设计 (4)
3.1 单片机最小系统 (4)
3.2 电源模块 (5)
3.3 JY01A驱动IC (5)
4小结 (7)
5 附录 (8)
5.1 程序 (8)
5.2主程序流程图 (11)
5.3 元件清单 (12)
5.4 原理图 (13)
5.5 PCB图 (14)
1.直流无刷无霍尔电机原理
无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。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；然而，即使这样改变还不够，因为定子上的电枢通过直流电后，只能产生不变的磁场，电动机依然转不起来。为了使电动机转起来，必须使定子电枢各相绕组不断地换相通电，这样才能使定子磁场随着转子的位置在不断地变化，使定子磁场与转子永磁磁场始终保持左右的空间角，产生转矩推动转子旋转。
2.总体设计方案
本系统由单片机最小系统、电源模块和JY01A驱动IC等硬件电路部分以及相应的软件部分构成。本设计采用单片机作为主控芯片，用编程的方法来模拟无刷电机的控制逻辑，其特点是使用灵活，通过修改程序可适应不同规格的无刷电机，增加系统功能方便，JY01A驱动电路，具备调速，正反转，过流保护，短路保护，欠压保护等功能，工作稳定，防干扰能力强等特点。电源电路给单片机和驱动电路提供36V电压。
3.硬件电路
3.1单片机最小系统
单片机基本系统包括：89C52及其复位电路、晶振电路和键盘电路、LED 8位数码管共阳显示电路、流水灯电路、蜂鸣器电路、继电器电路、MAX232串口通信电路。
电源电路
电源电路图
如图所示，36V电池送入U13、U14、U15稳压器输出+15V和+5V给单片机和驱动供电。电源部可以直接以直流电输入(一般为24V)或以交流电输入(110V/220 V)，如果输入是交流电就得先经转换器(converter)转成直流。不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由换流器(inverter)转成3相电压来驱动电机。换流器(inverter)一般由6个功率晶体管(Q1～Q6)分为上臂(Q1、Q3、Q5)/下臂(Q2、Q4、Q6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供PWM(脉冲宽度调制)决定功率晶体管开关频度及换流器
(inverter)换相的时机。直流无刷电机一般希望使用在当负载变动时
速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制，所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器 (hall-sensor)，做为速度之闭回路控制，同时也做为相序控制的依据。但这只是用来做为速度控制并不能拿来做为定位控制。
3.3 驱动电路
1)Ha,Hb,Hc输入端，内有上拉电阻，约30KΩ左右
2)电流检测回路,一般应用Ri =10K，Ci = 104P，电流采样电阻
R选值参考R =0.05/( W/V) 式中：0.05常数，如：工作电压
12V，电机功率30W R =0.02( 20mΩ)
3)在无霍尔驱动中，反电动势信号经过L339处理后的相位不能
搞错（MA—Ha；MB—Hb；MC—Hc）
4)驱动门电路，建议使用IR2101S做为驱动门，起到隔离与电
平转换作用
5)VCC电源滤波电容C，一般按C = W/V*100式中：工作电压
12V ，电机功率10W，实际C = 83uF，按照滤波电容的
选型原则，向上选用标称值为100uF电容。
4.小结
这次课程设计是一次非常好的锻炼机会,历时两个星期左右，通过这一个星期的学习，发现了自己的很多不足，自己知识的不怎么牢固，看到了自己的实践经验更是比较缺乏，理论联系实际的能力还急需提高。
课程设计是培养学我们综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对我们实际工作能力的具体训练和考察过程. 此次电机课程设计，我仍体会颇深。从中学到很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的很多的不足，自己知识的很多漏洞，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。虽然这只是一次的较简单的课程设计，可是也耗费了我们不少的心血。无论如何，就当它是一次电机的综合复习课吧！同时也作了一次很好的复习！
感激学校让我有这次学习设计的机会，让我受益匪浅，这次学习对于我们没有真正实践经验的同学来说，绝对是一次成长的机会
5.附录
5.1 程序
#include
#include
#include
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char
char gw,sw,bw,qw;
uchar j;//定时次数，每次20ms
uchar f=5;//计数次数
sbit P30=P3^0;//PWM脉冲输出信号
sbit P31=P3^3;//INT1用于速度脉冲信号检测输入信号sbit p11=p1^2;//正反转输出信号
sbit p10=p1^0;//k1 启动、停止
sbit p11=p1^1;//k2 减速
sbit p32=p3^2;//k3 加速
sbit p33=p3^3;//k4 正反转
uchar k;
uchar a,b;
uchar l;//占空比等级
uchar flag=0;//启停标志，初始为停止状态
uchar t=6;//脉冲加减
unchar code smg[]={};//定义字型码表
char data led[4]={0x08,0x04,0x02,0x01};//位码
uint x;//数码管显示的数值
display();//数码管显示
delays();//延时函数
key();//按键检测
main(void)
{ IE=0x8f;//允许INT0、INT1、T0、T1中断
TMOD=0x11;//T0、T1均为定时 Model 1
TCON=0x04;//INT1 脉冲触发
TH0=0xb1;//T0 定时20ms
TL0=0xe0;
TH1=0xfc;//T1 定时1ms
TL1=0x18;
TR1=1;// 启动T1
TR0=1;//启动T0
a=0;
b=10;
gw=sw=bw=qw=0;//数码管初始化
p2=0x00;
display();
}
void t0() interrupt 1 using 2
{ TH0=0xb1;//重装T0
TL0=0xe0;
a++;
if(a==20) a=0;
if(a else p30=0; l=b/20; //占空比等级计算 x=300*5*l;//计算转速 display();//显示转速 } void exint0(void) interrupt 0 { b++;//增大占空比，电机加速 if(b>19) b=19;//占空比等级最大为19 } void exint1(void) interrupt 0 { b--;//减小占空比，电机减速 if(b<1) b=1;//占空比等级最小为1 } void t1() interrupt 1 using 1 { TH0=0xfc;//重装T1 TL0=0x18; } display() {uchar i; gw=x%10; //求速度个位值，送到个位显示缓冲区 sw=(x/10)%10; //求速度十位值，送到十位显示缓冲区 bw=(x/100)%10; //求速度百位值，送到百位显示缓冲区 qw=x/1000; //求速度千位值，送到千位显示缓冲区 for(i=0;i<4;) {P3=led[i]; if(i==0) //显示个位 {P2=smg[gw]; delays(); } else if(i==1) //显示十位 {P2=smg[sw]; delays(); } else if(i==2) //显示百位 {P2=smg[bw]; delays(); } else if(i==3) //显示千位 { P2=smg[qw]; delays(); } i++; } } delays() {uchar i; for(i=5000;i>0;i--) } key() { if(p10==0) { while(!p10)//去抖动 {flag++; if(flag%2==0) EA=0;//停止 else IE=0x8a;//启动 } } if(p11==0)//减速 {while(!p11) if(t>0) t--; else t=0; } if(p32==0)//加速 {while(!p32) if(t<10) t++; else t=9; } if(p33==0)//正反转 {while(!p33) k=~k; } } 5.2 流程图 5.3元件清单 元件清单 序号名称单价数量合计 1 电源 PCB 9.3 1 9.3 2 电源 线 3 1 3 3 保险 座0.7 1 0.7 4 电源 开关0.84 1 0.84 5 橡胶 脚0.08 5 0.4 6 电解0.8 1 0.8 7 长铜 柱0.85 4 3.4 8 短铜 柱0.4 8 3.2 9 螺丝0.32 14 4.48 10 螺母0.2 1 0.2 11 插座0.2 13 2.6 12 二极 管0.1 1 0.1 13 驱动 插板10.2 1 10.2 14 JY01 4.35 1 4.35 15 APM4 568 0.55 3 1.65 16 LM33 9 0.6 1 0.6 17 贴片 电容0.24 1 0.24 18 贴片 电阻0.5 1 0.5 19 焊条0.2 1 0.2 20 焊膏0.1 1 0.1 21 变压 器11 1 11 22 胶0.1 1 0.1 23 电机 4 1 4 24 合计 61.9 6 5.4原理图 5.4.1作原理框图如下图所示： 5.4.2系统原理框图如下图所示： 5.4.3单片机设计及接口电路 5.5 PCB图 硬件原理图： 无刷直流电机的工作原理 无刷直流电机的控制结构 无刷直流电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(P)影响： N=120．f / P。在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。无刷直流电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器)，控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说无刷直流电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。 无刷直流驱动器包括电源部及控制部如图 (1) ：电源部提供三相电源给电机，控制部则依需求转换输入电源频率。 电源部可以直接以直流电输入(一般为24V)或以交流电输入(110V/220 V)，如果输入是交流电就得先经转换器(converter)转成直流。不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由换流器(inverter)转成3相电压来驱动电机。换流器(inverter)一般由6个功率晶体管(Q1～Q6)分为上臂(Q1、Q3、Q5)/下臂(Q2、Q4、Q6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供PWM(脉冲宽度调制)决定功率晶体管开关频度及换流器(inverter)换相的时机。无刷直流电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制，所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器(hall-sensor)，做为速度之闭回路控制，同时也做为相序控制的依据。但这只是用来做为速度控制并不能拿来做为定位控制。 （图一） 无刷直流电机的控制原理 要让电机转动起来，首先控制部就必须根据hall-sensor感应到的电机转子目前所在位置，然后依照定子绕线决定开启(或关闭)换流器(inverter)中功率晶体管的顺序，如 下（图二） inverter中之AH、BH、CH(这些称为上臂功率晶体管)及AL、BL、CL(这些称为下臂功率晶体管)，使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。当电机转子转动到hall-sensor感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管(或只开下臂功率晶体管)；要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。 基本上功率晶体管的开法可举例如下： AH、BL一组→AH、CL一组→BH、CL一组→BH、AL一组→CH、AL一组→CH、BL 一组， 但绝不能开成AH、AL或BH、BL或CH、CL。此外因为电子零件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则 直流无刷和有刷电机优缺点对比 直流无刷电机的原理是在有刷电机的基础上开发和演变的。在未来的一段时间里将是有刷的替代品随着世界各地发起的保护地球的口号有刷终终究会被无刷所取代。无刷直流电机的基本原理去掉了碳刷用电子元器件代替。用电子元器件的开关特性取代机械碳刷使换向变得无机械接触。无刷相对有刷的电机来说有如下优点一、运行声音小这将是我们这个文明社会必将行进的方向。另何工具它都要求降低噪声来保护我们的声音环境。现在最关键的是用在一些需要安静的地方如医院、银行、机场学校等等安静的场所。二、无火花在一些场合就可以大显身手了有一些易燃易爆的地方。三、寿命长因为它用控制器代替了换向器和碳刷是有刷电机的几倍甚至十几倍。碳刷的寿命是有一定的限度的比如一千个小时碳刷就会磨损殆尽只能更换电刷可是更换电机。四、速度高因为采用了磁场感应没有实质的接触速度可以做的更快。有了这么多的优点但是也有不好的地方一、造价高控制器的成本增加至少百元拿微电机来说。原来的换向器和碳刷的成本要低的多。二、如果使用的环境是在高磁场的地方或曾经接触或和高磁场很近电机将失去作用。因为电机本身的转子部件是磁体所作是经过充磁才有磁性的经过高磁场将改变转子的磁场或是消掉了部分的磁性电机都将不能正常工作。再给你补全一点 1 有位置传感器控制方式优点①因为有霍尔位置传感器所以电机换相准确转子位置检测的准确度不受电机转速的影响②不需要外加的转子位置检测电路硬件电路简单③电机换相控制编程简单不需要处理滤波延迟等问 题。缺点①增大了电机的体积。安装了位置传感器后一方面电机结构变复杂了另一方面电机的体积相对来说变大了妨碍了电机的小型化②增加了电机成本。容量在数百瓦以下的小容量方波型无刷直流电机常用的霍尔位置传感器的成本相对于电机本体来说所占比例比较大③传感器的输出信号易受到干扰。传感器的输出信号都是弱电信号在高温、冷冻、湿度大、有腐蚀物质、空气污浊等工作环境及振动、高速运行等工作条件下都会降低传感器的可靠性。若传感器损坏还可能连锁反应引起逆变器等器件的损坏④传感器的安装精度对电机的运行性能影响很大相对增加了生产工艺的难度。2 无位置传感器控制方式优点①降低成本减小电机的体积②抗干扰能力强能在高温、湿度大、有腐蚀物质、空气污浊的环境中工作③无传感器安装的问题减小电机的生产难度。缺点①如反电势法等转子位置检测方法在低速时检测准确度都不高需要其他方法辅助电机起动②由于各种滤波、比较电路引起的相位延迟必须在算法中加以补偿所以算法编程难度较大③由于架构了转子位置检测电路所以增加了硬件的复杂性。 基于直流无刷电机霍尔信号的位置估算 技术领域 本发明涉及一种利用低分辨率霍尔位置信号，通过一定算法，来比较精确地估计转子位置和转速。以便能够对直流无刷电机采用矢量控制。 背景技术 目前，直流无刷电机在电动车领域应用较广，一者该类型电机功率密度高、调速性能好，二者是其成本较低，有些配置较低成本的霍尔位置传感器。 一般情况下直流无刷电机采用方波驱动，控制简单。然其换向间的电流突变，会造成较大的转矩脉动，产生较大的噪声污染。采用正弦波驱动，即矢量控制，所产生的转矩脉动明显小于方波驱动。但是矢量控制需要连续的、高精度的位置信息，本文介绍的算法就是针对简单的霍尔信号来估算出较高精度的转子位置信号。 发明内容 本文针对的对象有霍尔位置传感器的直流无刷电机中，三个霍尔元件HA 、HB 、HC 在空间上依次间隔120°电角度。输出的信号也是依次间隔120°，脉宽180° 电角度的方波。如下图1所示。 PWM1 PWM2 PWM3 PWM4 PWM5 Hall A Hall B Hall C PWM6 图1 方波驱动霍尔信号与PWM 信号对应图 由上图可知，三相霍尔信号每60°跳变一次，分别对应一个电周期的六个状态（15°、45°、105°、165°、225°、285°、345°）。这里看出霍尔传感器的分辨率仅为60°。 为了获取高分辨率的转子位置，本文提出基于转子平均转速（60°间的平均转速）来估算转子位置。 设i θ为霍尔信号跳变时刻对应转子位置，1-i ω为转子在i θ和1-i θ之间的平均转速，1-i T 为转子在i θ和1-i θ之间的间隔时间，那么有： 113/--=i i T πω （1） 为得到当前某一位置时刻的转子转速，引入转子转速平均加速度a ，有 2/)(21211-----+-=i i i i i T T a ωω （2） 那么可算出转子当前某一位置的瞬时转速为： k i i i i ip kT a T a 11112/----++=ωω （3） 其中，k T 为采样周期，k 为当前时刻到i θ对应时刻的采样次数。 当前转子位置为 21111)(21 )2/(k i k i i i i ip i ip kT a kT T a dt ----+++=+=?ωθωθθ （4） 对转子位置每60°进行重新校正，引入转子平均加速度计算得到的转子位置，在转速动态调整时，转子位置计算偏差得到较好抑制。 目录 1直流无刷无霍尔电机原理 (2) 2 总体设计方案 (3) 3 硬件设计 (4) 3.1 单片机最小系统 (4) 3.2 电源模块 (5) 3.3 JY01A驱动IC (5) 4小结 (7) 5 附录 (8) 5.1 程序 (8) 5.2主程序流程图 (11) 5.3 元件清单 (12) 5.4 原理图 (13) 5.5 PCB图 (14) 1.直流无刷无霍尔电机原理 无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。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；然而，即使这样改变还不够，因为定子上的电枢通过直流电后，只能产生不变的磁场，电动机依然转不起来。为了使电动机转起来，必须使定子电枢各相绕组不断地换相通电，这样才能使定子磁场随着转子的位置在不断地变化，使定子磁场与转子永磁磁场始终保持左右的空间角，产生转矩推动转子旋转。 2.总体设计方案 本系统由单片机最小系统、电源模块和JY01A驱动IC等硬件电路部分以及相应的软件部分构成。本设计采用单片机作为主控芯片，用编程的方法来模拟无刷电机的控制逻辑，其特点是使用灵活，通过修改程序可适应不同规格的无刷电机，增加系统功能方便，JY01A驱动电路，具备调速，正反转，过流保护，短路保护，欠压保护等功能，工作稳定，防干扰能力强等特点。电源电路给单片机和驱动电路提供36V电压。 无刷直流电机驱动 James P. Johnson, Caterpiller公司 本章的题目是无刷直流电动机及其驱动。无刷直流电动机（BLDC）的运行仿效了有刷并励直流电动机或是永磁直流电动机的运行。通过将原直流电动机的定子、转子内外对调—变成采用包含电枢绕组的交流定子和产生磁场的转子使得该仿效得以可能。正如本章中要进一步讨论的，输入到BLDC定子绕组中的交流电流必须与转子位置同步更变，以便保持磁场定向，或优化定子电流与转子磁通的相互作用，类似于有刷直流电动机中换向器、电刷对绕组的作用。该原理的实际运用只能在开关电子学新发展的今天方可出现。BLDC电机控制是今天世界上发展最快的运动控制技术。可以预见，随着BLDC的优点愈益被大家所熟知且燃油成本持续增加，BLDC必然会进一步广泛运用。 2011-01-30 23.1 BLDC基本原理 在众文献中无刷直流电动机有许多定义。NEMA标准《运动/定位控制电动机和控制》中对“无刷直流电动机”的定义是：“无刷直流电动机是具有永久磁铁转子并具有转轴位置监测来实施电子换向的旋转自同步电机。不论其驱动电子装置是否与电动机集成在一起还是彼此分离，只要满足这一定义均为所指。” 图23.1 无刷直流电机构形 2011-01-31 若干类型的电机和驱动被归类于无刷直流电机，它们包括： 1 永磁同步电机（PMSMs）； 2 梯形反电势(back - EMF)表面安装磁铁无刷直流电机； 3 正弦形表面安装磁铁无刷直流电机； 4 内嵌式磁铁无刷直流电机； 5 电机与驱动装置组合式无刷直流电机； 6 轴向磁通无刷直流电机。 图23.1给出了几种较常见的无刷直流电机的构形图。永磁同步电机反电势是正弦形的，其绕组如同其他交流电机一样通常不是满距，或是接近满距的集中式绕组。许多无刷直流电 电机数学模型 以二相导通星形三相六状态为例，分析BLDC的数学模型及电磁转矩等特性。为了便于分析，假定： a)三相绕组完全对称，气隙磁场为方波，定子电流、转子磁场分布皆对称； b)忽略齿槽、换相过程和电枢反应等的影响； c)电枢绕组在定子内表面均匀连续分布； d)磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗。 则三相绕组的电压平衡方程可表示为： 错误！未找到引用源。(1) 式中：错误！未找到引用源。为定子相绕组电压(V)；错误！未找到引用源。为定子相绕组电流(A)；错误！未找到引用源。为定子相绕组电动势(V)；L为每相绕组的自感(H)；M为每相绕组间的互感(H)；p为微分算子p=d/dt。 三相绕组为星形连接，且没有中线，则有 错误！未找到引用源。(2) 错误！未找到引用源。(3) 得到最终电压方程： 错误！未找到引用源。(4) e c c 图.无刷直流电机的等效电路 无刷直流电机的电磁转矩方程与普通直流电动机相似，其电磁转矩大小与磁通和电流幅值成正比 错误！未找到引用源。(5) 所以控制逆变器输出方波电流的幅值即可以控制BLDC电机的转矩。为产生恒定的电磁转矩，要求定子电流为方波，反电动势为梯形波，且在每半个周期内，方波电流的持续时间为120°电角度，梯形波反电动势的平顶部分也为120° 电角度，两者应严格同步。由于在任何时刻，定子只有两相导通，则：电磁功率可表示为： 错误！未找到引用源。(6) 电磁转矩又可表示为： 错误！未找到引用源。(7) 无刷直流电机的运动方程为： 错误！未找到引用源。(8) 其中错误！未找到引用源。为电磁转矩；错误！未找到引用源。为负载转矩；B为阻尼系数；错误！未找到引用源。为电机机械转速；J为电机的转动惯量。 传递函数： 无刷直流电机的运行特性和传统直流电机基本相同，其动态结构图可以采用直流电机通用的动态结构图，如图所示： 图2.无刷直流电机动态结构图 由无刷直流电机动态结构图可求得其传递函数为: 式中： K1为电动势传递系数，错误！未找到引用源。，Ce 为电动势系数； K2为转矩传递函数，错误！未找到引用源。，R 为电动机内阻，Ct 为转矩系数；T m为电机时间常数，错误！未找到引用源。，G 为转子重量，D 为转子直径。基于MATLAB的BLDC系统模型的建立 在Matlab中进行BLDC建模仿真方法的研究已受到广泛关注，已有提出采用节点电流法对电机控制系统进行分析，通过列写m文件，建立BLDC仿真模型， 电机与拖动基础 课程设计报告 设计题目： 学号： 指导教师： 信息与电气工程学院 二零一六年七月 直流无刷电机本体设计 1. 设计任务 (1) 额定功率 80N P W = (2) 额定电压310N U V ≤ (3) 电动机运行时额定转速 1000/min N n r = (4) 发电机运行时空载转速max 6000/min n r = (5) 最大允许过载倍数 2.5λ= (6) 耐冲击能力21500/m a m s = (7) 机壳外径42D mm ≤ 设计内容： 1. 根据给定的技术指标，计算电机基本尺寸，包括：定子铁心外径、定子 铁心内径、铁心长度等。 2. 磁路计算，包括极对选择、磁钢选型、磁钢厚度、气隙长度等方面计算。 3. 定子绕组计算，包括定子绕组形式、定子槽数、绕组节距等计算。 2. 理论与计算过程 2.1 直流无刷电机的基本组成环节 直流无刷电动机的结构原理如图2-1-1所示。它主要由电机本体、位置传 感器和电子开关线路三部分组成。电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、五相不等），转子由永久磁钢按一定极对数（2p=2,4,……）组成。图中的电机本体为三相电机。三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件连接，位置 传感器的跟踪转子与电动机转轴相连接。 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是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。 因此，所谓直流无刷电机，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2-1-2所示。 图2-1-1 直流电动机的工作原理图 图2-1-2 直流无刷电机的原理框图 直流电源 电动机 位置传感器 开关电路 无刷直流电机中霍尔传感器空间安放位置研究 0 引言 霍尔位置传感器在无刷直流电机中起着检测转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供的换向信息，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的换向导通[1]。初步实验结果表明，电枢反应和位置传感器的改变对霍尔检测信号影响较大，直接影响了电机绕组的换流，引起电机力矩波动从而带来噪音。文中针对引起霍尔传感器位置检测误差的主要因素进行了分析，并且通过对样机电机的三维有限元仿真计算，得到了霍尔传感器检测漏磁场的分布，为霍尔传感器的安放位置提供了依据。 1 霍尔安放位置问题 1.1 产生霍尔传感器位置检测误差的因素 产生霍尔传感器位置检测误差的因素主要有以下两方面：①霍尔传感器的参数；②传感器安装位置处的磁场变化[2]。 ①磁密滞环宽度 开关型霍尔元件只有在检测到磁场到达某一数值时，霍尔开关接通；而磁感应强度降低到某一数值以下，霍尔开关断开，因此输出信号的过零点与磁密过零点并不重合。而这些事件的触法点叫吸合点和释放点。开关型产品一般都给出吸合点和释放点的最大和最小磁感应强度，保证在最大吸合点和最小释放点所有开关接通或断开，但某一开关可能在这两个极限值之内吸合或释放。虽然某些产品不给出某一元件在两极限值之内的具体切换点，但保证有最小滞环，这一特性使得输出信号不会因为输入信号的微小波动而发生错误的跳变，以防抖动。实际应用中霍尔传感器的输出信号与绕组反电势之间期望的相位关系只能在一个方向上实现[3]。在另一个方向上将出现位置检测误差，如位置误差值为磁密滞环宽度，等于二倍的磁密门槛值；式中s 是从0 到D 值之间磁密随转子转角的平均变化率。如果传感器敏感的磁密按幅值为0.3T 的正弦函数变化，霍尔传感器的门槛值为0.01mT，则在一个电周期内位置误差为θ = arcsin（2*0.01/0.3）=3.85° 。 由式(1)可知，霍尔检测位置误差值可以通过选择滞环宽度小的霍尔传感器或者通过合理的计算安装位置处的磁密来选择合适的安装位置以获得高的磁密的变化率来进行抑制。 ②霍尔传感器的磁密敏感区 永磁电机中的磁铁在霍尔传感器正面产生磁场，且随着所产生磁场大小的变化，霍尔传感器接通或断开。当磁感应强度B 与霍尔传感器的平面法线成一角度θ 时，实际上作用于霍尔传感器的有效磁场是其法线方向的分量，即Bcosθ 。因此，当霍尔传感器的安装有角度偏差时，传感器的有效磁场将发生变化，此时的偏差角为θ ，由此产生的误差值既取决于这个夹角θ ，又取决于敏感区法线方向上磁密的变化程度[4]。因此，可以通过尽可能的减小传感器的装配误差以起到抑制这种误差的效果。 1.2 转子磁钢所产生的磁场变化对霍尔检测误差的影响转子磁钢产生霍尔传感器检测位置所需的磁密，永磁体所产生磁场的不均匀或转子的不同心会造成一周内磁场变化的不一致；此外，传感器通常安装在永磁体电机的端部，直接用电机的转子作为自己的转子，感应出所需要的磁场，但是当绕组通电流后，强的端部电枢反应会使位置检测处的磁场严重畸变，造成位置检测误差[5]。 2 对永磁电机端部磁场进行三维有限元分析 2.1 永磁电机的三维有限元模型 对永磁电机中传感器安装区域内的磁场分析时不能忽略永磁体的边缘效应与铁磁材料的弥散效应，因此二维有限元法不适于在此进行磁场的定量计算。使用三维有限元法可以实现对整个电机端部磁场的定性和定量分析，进行不同位置处的磁场分析，以确定传感器的安装位置[6]。文中在定子 日期: 2014-05-28 / 作者: admin / 分类: 技术文章 1. 简介 本文要介绍电机种类中发展快速且应用广泛的无刷直流电机（以下简称BLDC）。BLDC被广泛的用于日常生活用具、汽车工业、航空、消费电子、医学电子、工业自动化等装置和仪表。顾名思义，BLDC不使用机械结构的换向电刷而直接使用电子换向器，在使用中BLDC相比有刷电机有许多的优点，比如： 能获得更好的扭矩转速特性； 高速动态响应； 高效率； 长寿命； 低噪声； 高转速。 另外，BLDC更优的扭矩和外形尺寸比使得它更适合用于对电机自身重量和大小比较敏感的场合。 2. BLDC结构和基本工作原理 BLDC属于同步电机的一种，这就意味着它的定子产生的磁场和转子产生的磁场是同频率的，所以BLDC并不会产生普通感应电机的频差现象。BLDC中又有单相、2相和3相电机的区别，相类型的不同决定其定子线圈绕组的多少。在这里我们将集中讨论的是应用最为 广泛的3相BLDC。 定子 BLDC定子是由许多硅钢片经过叠压和轴向冲压而成，每个冲槽内都有一定的线圈组成了绕组，可以参见图。从传统意义上讲，BLDC的定子和感应电机的定子有点类似，不过在定子绕组的分布上有一定的差别。大多数的BLDC定子有3个呈星行排列的绕组，每 个绕组又由许多内部结合的钢片按照一定的方式组成，偶数个绕组分布在定子的周围组成了偶数个磁极。 BLDC的定子绕组可以分为梯形和正弦两种绕组，它们的根本区别在于由于绕组的不同连接方式使它们产生的反电动势（反电动势的相关介绍请参加EMF一节）不同，分别呈现梯形和正弦波形，故用此命名了。梯形和正弦绕组产生的反电动势的波形图如图和图 直流有刷电机与直流无 刷电机的对比 Company number：【0089WT-8898YT-W8CCB-BUUT-202108】 无刷直流电机与有刷直流电机的对比直流有刷电机和无刷电机的区别是是否配置有常用的电刷换向器。有刷直流电机的换向一直是通过石墨电刷与安装在转子上的环形换向器相接触来实现的。 而直流无刷电机则通过霍尔传感器把转子位置反馈回到控制电路，使其能够获知电机相位换向的准确时间。大多数无刷电机生产商生产的电机都具有三个霍尔效应定位传感器。由于无刷电机没有电刷，故也没有相关接口，因此更干净，噪声更小，事实上无需维护，寿命更长。 直流无刷是基于交流调速原理基础上制造出来的，性能方面既有直流电机的启动转矩大，转速稳定调速方便，又有交流电机的结构简单没有易损件（没有直流电机的碳刷）价格方面因为需要专门的驱动故价格要比普通直流电机高3~4倍左右。不过调速方面因为直流无刷电机大部分都自带驱动电路（可以调速，当然也有恒速的）所以驱动起来只要给他接上额定电压后，输入调速PWM信号就可以了。这点无需再添加专门的驱动电路，另外直流无刷电机因为有霍尔元件做反馈，所以转速几乎是稳定恒速的。 一、无刷电机与有刷电机的性能比较 1、摩擦大、损耗大 有些朋友在用有刷电机的时候经常碰到这个问题，那就是使用电机一段时间后，需要打开电机来清理电机的碳刷，费时费力，维护强度不亚于一次家庭大扫除。 2、发热大、寿命短 由于有刷电机的结构原因，电刷和换向器的接触电阻较大，容易发热，而永磁体是热敏元件，如果温度太高，磁钢是会退磁的，使电机性能下降，影响有刷电机的寿命。 3、效率低、输出功率小 上面说到的有刷电机发热问题，很大程度是因为电流做功在电机的内阻上了，所以 1引言无刷直流电机最本质的特征是没有机械换向器和电刷所构成的机械接触式换向机构。现在，无刷直流电机定义有俩种：一种是方波/梯形波直流电机才可以被称为无刷直流电机，而正弦波直流电机则被认为是永磁同步电机。另一种是方波/梯形波直流电机和正弦波直流电机都是无刷直流电机。国际电器制造业协会在1987年将无刷直流电机定义为“一种转子为永磁体，带转子位置信号，通过电子换相控制的自同步旋转电机”，其换相电路可以是独立的或集成于电机本体上的。本次设计采用第一种定义，把具有方波/梯形波无刷直流电机称为无刷直流电机。从20世纪90年代开始，由于人们生活水平的不断提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都向着高效率化、小型化及高智能化发展，电机作为设备的重要组成部分，必须具有精度高、速度快、效率高等优点，因此无刷直流电机的应用也发展迅速[1]。 1.1 无刷直流电机的发展概况 无刷直流电动机是由有刷直流电动机的基础上发展过来的。 19世纪40年代，第一台直流电动机研制成功，经过70多年不断的发展，直流电机进入成熟阶段，并且运用广泛。 1955年，美国的D.Harrison申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电动机的机械电刷的专利，形成了现代无刷直流电动机的雏形。 在20世纪60年代初，霍尔元件等位置传感器和电子换向线路的发现，标志着真正的无刷直流电机的出现。 20世纪70年代初，德国人Blaschke提出矢量控制理论，无刷直流电机的性能控制水平得到进一步的提高，极大地推动了电机在高性能领域的应用。 1987年，在北京举办的德国金属加工设备展览会上，西门子和博世两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器，引起了我国有关学者的注意，自此我国开始了研制和开发电机控制系统和驱动的热潮。目前，我国无刷直流电机的系列产品越来越多，形成了生产规模。 无刷直流电动机的发展主要取决于电子电力技术的发展，无刷直流电机发展的初期，由于大功率开关器件的发展处于初级阶段，性能差，价格贵，而且受永磁材料和驱动控制技术的约束，这让无刷直流电动机问世以后的很长一段时间内，都停 无刷电机结构图及里面的霍尔信号工作原理 (2009-05-30 17:33:55) 转载 标 签： 教育 霍耳的红线一般接5－12v直流电。推荐5－7v。 霍耳的信号线传递电机里面磁钢相对于线圈的位置，根据三个霍耳的信号控制器能知道此时应该如何给电机的线圈供电（不同的霍耳信号，应该给电机线圈供相对应方向的电流），就是说霍耳状态不一样，线圈的电流方向不一样。 霍耳信号传递给控制器，控制器通过粗线（不是霍耳线）给电机线圈供电，电机旋转，磁钢与线圈（准确的说是缠在定子上的线圈，其实霍耳一般安装在定子上）发生转动，霍耳感应出新的位置信号，控制器粗线又给电机线圈重新改变电流方向供电，电机继续旋转（线圈和磁钢的位置发生变化时，线圈必须对应的改变电流方向，这样电机才能继续向一个方向运动，不然电机就会在某一个位置左右摆动，而不是连续旋转），这就是电子换相。 电动车用无刷直流电机工作原理 摘要: 无刷直流电机因为具有直流有刷电机的特性,同时也是频率变化的装置,所以又名直流变频,国际通用名词为bldc.无刷直流电机的运转效率,低速转矩,转速精度等都比任何控制技术的变频器还要好,所以值得业界关注.本产品已经生产超过55kw,可设计到400kw,可以解决产业界节电与高性能驱动的需求。. 关键词:无刷直流电机永磁同步电机直流变频钕铁硼 abstract: brushless direct current motor has the same dc motor output characteris tics, also named bldc. bldc have higher output torque in low speed, higher efficiency and better speed precision than any control modes of frequency converter drives. this chapte r introduce capacity up to 400kw for the industrial application. key words:brushless direct current motor permanent magnetic synchronous motor bldc ndfeb [中图分类号]tm921 [文献标识码]b 文章编号1561-0330(2003)06-00 1 无刷直流电动机简介 无刷直流电动机的学名叫“无换向器电机”或“无整流子电机”,是一种新型的无级变速电机,它由一台同步电机和一组逆变桥所组成,如图1所示。它具有直流电机那样良好的调速特性,但是由於没有换向器,因而可做成无接触式,具有结构简单,制造方便,不需要经常性维护等优点,是一种现想的变速电机。 在工作原理上有二种不同的工作方式： (1)直流无刷电机:又称“无换向器电机交一直一交系统”或“直交系统”,如图1所示。是将三相交流电源整流后变成直流，再由逆变器转换成频率可调的交流电,但是,注意此处逆变器是工作在直流斩波方式。(2)交流无刷电动机:它是利用交-交变频器向同步机供给交流电。 9-10 直流无刷电机的设计 9-10-1直流无刷电机的概述 直流电机有无可伦比的优点，体积小，重量轻，结构简单，速度变化范围大，供源简单，移动方便，价格低廉，制造简单，工艺性好等等，是我国用量最大的一种电机。 但是直流电机由于换向的需要，因此必需要由电刷和换向器来换向。由于换向器和电刷的作用，就给电机带来各种不良的影响，如噪声，电刷运行寿命，电机干扰和电机本身体积等问题。直流电机最大的缺点是电机寿命远远不如交流电机，交流同步电机等等无刷电机。 交流电机，交流同步电机是交流供电的，由于用的是交流电源，在50HZ 的交流电源中，一对极的交流异步电机的同步理论转速是:m in /30001 50 6060r p f n =?=?= ，在交 流同步电机中的同步转速也应该为m in /3000r ，如果把电源的频率调高或调低，则电 机的工作转速也可以很高或者较低的。但这个电机的供源是交流电，如果把直流电源通过电 路的转换，变成可以交变的波形供给交流电机或交流同步电机，那么交流异步电机或交流同步电机也可以很好的转动起来的，这就是直流无刷电机的最直观的概念。 要把直流电转换成单相或三相交变电源，在上世纪中叶还是一个非常麻烦的事，那时只有电子真空管，体积很大，输出电流很小，那时台式收音机就有12英寸的电视机那么大，无法和现在手指那么大的MP3相比拟。后来发明了半导体和相应的各种半导体技术使电子控制技术推向了一个新纪元。各种电源逆变，分配技术，换相技术的相继出现，许多高性能，高功率的半导体器件的研制成功，从而使电机领域出现了机电一体化的步进电机，直流无刷电机，并迅速在各个领域得到了广泛的应用。 当出现了永磁直流无刷电机后，就体现了它强大的生命力，永磁直流无刷电机有许多优点，如干扰小，(电路部分有一定的电磁干扰的)，运行寿命长，调速性能好，控制方法多，输出力矩大，过载能力强，调速范围宽，起动响应快，运行平稳，效率高等。永磁无刷直流电机有许多交流异步电机，步进电机和直流电机不具备的优点。它广泛应用于办公机械，电脑，音响，通风行业，自动控制，仪器仪表，汽车，国防工业等等领域，特别一提的是，在电脑中，光驱动器，硬盘，DVD 等大量用了非常精密的形式不一的永磁无刷直流电机，目前社会上人们所骑的电动自行车上的电机绝大都数是采用了永磁直流无刷电机，这个量非常可观，这些也是用得最广泛，生产量最多的直流无刷电机。永磁直流无刷电机已经在时刻影响着人们的生活，在左右人类的生活的历史。 随着控制器的小型化，模块化，以前做得较大的控制器现在可以做得更小，有的可以和电机做在一起，使永磁无刷电机使用起来那么方便，那么的得心应手。许多永磁直流电机日益被永磁无刷直流电机所替代。在电机界，研究，开发永磁直流无刷电机是一种新的趋势。这方面的论著也比以往多起来了。 9-10-2永磁直流无刷电机工作原理 从电磁原理看，电机中如果一个永磁多极磁钢的转子(一对极也可以)，外面的定子是由相对应极数的线圈组成，定子线圈如果能够产生一个单向的旋转磁场(不是脉振磁场)的话，转子因为该磁场的磁极作用而跟转，这样电机就可以转动起来，如果转子上加了个负载，为 课程设计 学院电气学院 班级10自一 姓名胜梁建伟 学号10020514 10020515 目录 一、直流无刷无霍尔电机原理 (3) 二、总体设计方案 (4) 三、硬件电路 (4) 3.1 单片机系统 (4) 3.2电源模块 (5) 3.3 驱动电路 (6) 四、小结 (7) 附录Ⅰ实验程序 (8) 附录Ⅱ元器件清单 (12) 附录Ⅲ原理图 (14) 附录ⅣＰＣＢ图 (15) 一、直流无刷无霍尔电机原理 1）无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。 2）无刷电机是指无电刷和换向器（或集电环）的电机，又称无换向器电机。 3）电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机装有位置传感器。 4）驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。 5）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。 6）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，这样的结构正好和普通直流电动机相反；然而，即使这样改变还不够，因为定子上的电枢通过直流电后，只能产生不变的磁场，电动机依然转不起来。 7）为了使电动机转起来，必须使定子电枢各相绕组不断地换相通电，这样才能使定子磁场随着转子的位置在不断地变化，使定子磁 无刷直流电机工作原理详解 日期: 2014-05-28 / 作者: admin / 分类: 技术文章 1. 简介 本文要介绍电机种类中发展快速且应用广泛的无刷直流电机（以下简称BLDC）。BLDC被广泛的用于日常生活用具、汽车工业、航空、消费电子、医学电子、工业自动化等装置和仪表。顾名思义，BLDC不使用机械结构的换向电刷而直接使用电子换向器，在使用中BLDC相比有刷电机有许多的优点，比如： 能获得更好的扭矩转速特性； 高速动态响应； 高效率； 长寿命； 低噪声； 高转速。 另外，BLDC更优的扭矩和外形尺寸比使得它更适合用于对电机自身重量和大小比较敏感的场合。 2. BLDC结构和基本工作原理 BLDC属于同步电机的一种，这就意味着它的定子产生的磁场和转子产生的磁场是同频率的，所以BLDC并不会产生普通感应电机的频差现象。BLDC中又有单相、2相和3相电机的区别，相类型的不同决定其定子线圈绕组的多少。在这里我们将集中讨论的是应用最为 广泛的3相BLDC。 2.1 定子 BLDC定子是由许多硅钢片经过叠压和轴向冲压而成，每个冲槽内都有一定的线圈组成了绕组，可以参见图2.1.1。从传统意义上讲，BLDC的定子和感应电机的定子有点类似，不过在定子绕组的分布上有一定的差别。大多数的BLDC定子有3个呈星行排列的绕组，每 个绕组又由许多内部结合的钢片按照一定的方式组成，偶数个绕组分布在定子的周围组成了偶数个磁极。 BLDC的定子绕组可以分为梯形和正弦两种绕组，它们的根本区别在于由于绕组的不同连接方式使它们产生的反电动势（反电动势的相关介绍请参加EMF一节）不同，分别呈现梯形和正弦波形，故用此命名了。梯形和正弦绕组产生的反电动势的波形图如图2.1.2和图 2.1.3所示。 第三章、用EL-DSPMCKIV实现无刷直流电动机PWM 控制方案 实验概述： 本实验是一个无刷直流电动机的PWM控制系统。结构简单，用到的模块也较少。下面给出每个模块的输入与输出量名称及其量值格式 （一）、无刷直流电动机PWM 控制原理简介 无刷直流电动机从结构上讲更接近永磁同步电动机（我们在下一章节中做详细介绍），控制方法也很简单，主要是通过检测转子的位置传感器给出的转子磁极位置信号来确定励磁的方向，从而保证转矩角在90 度附近变化，保证电机工作的高效率。定子换相是通过转子位置信号来控制，转矩的大小则通过PWM的方法控制有效占空比来调控。 我公司提供过两种直流无刷电机，一种以前提供过的57BL-02直流无刷电机的额定电压为24V，额定转速为1600rpm，转子极数为4，也就是2 极对，还有一种是现在提供的57BL-0730N1直流无刷电机，该电机额定转速为3000rpm，转子极数为10，也就是5极对，这两种电机的转子位置都由霍尔传感器提供，同时由此计算出电机的转速，控制程序样例没有电流环。 （二）、系统组成方案及功能模块划分 本实验为开环和闭环实验，通过几个模块信号处理最终用BLDCPWM模块产生IPM 驱动信号来控制直流无刷电机转动。 下图为一个开环控制的系统功能框图，参考占空比信号经由RMP2CNTL 模块处理，变成缓变信号送到PWM产生模块。霍尔传感器的输出脉冲信号，经由DSP的CAP1、CAP2、CAP3端口被DSP获取。通过霍尔提供的转子位置信息HALL3_DRV模块判断转子位置，并将该转子位置信息通过计数器传递给BLDC_3PWM_DRV 模块，该模块通过占空比输入、设定开关频率以及转子的位置信息产生相应的PWM 信号作用于逆变器中的开关管，从而驱动电动机旋转。 永磁无刷直流电机专辑 无刷直流电动机中的霍尔位置传感器 蔡耀成 (常州微特电机总厂,江苏常州213011) Ha ll Positi on Sen sors i n Brushless DC M otor Cai Y aocheng (Changzhou M icro&SpecialM otors General Factory,J iangsu Changzhou213011) 【摘 要】 无刷直流电动机中使用的位置传感器有许多种类,而霍尔位置传感器因具有结构简单,安装方便灵活,易于机电一体化等优点,目前已越来越得到广泛的应用。该文对这类传感器的结构、工作原理、设计原则等方面做较详细的介绍。 【关键词】 无刷直流电动机 霍尔位置传感器 中图分类号:T M38 文献标识码:A 文章编号:1004-7018(1999)05-0014-05 【Abstract】 T here are m any positi on sens ors used in brush less DC motors.Featuring si m p le structure,easy to mount and m echano-electronized,H all sens ors are becom ing more and more w idely used.T h is article w ill give a detailed introducti on to constructi on,operati on and design p rinci p les of these H all sens ors. 【Keywords】 brush less motor H all positi on sens or 1前 言 位置传感器是组成无刷直流电动机系统的三大部分之一,也是区别于有刷直流电动机的主要标志。其作用是检测主转子在运动过程中的位置,将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号,为逻辑开关电路提供正确的换相信息,以控制它们的导通与截止,使电动机电枢绕组中的电流随着转子位置的变化按次序换向,形成气隙中步进式的旋转磁场,驱动永磁转子连续不断地旋转。 位置传感器的种类很多,有电磁式、光电式、磁敏式等。它们各具特点,然而由于磁敏式霍尔位置传感器具有结构简单、体积小、安装灵活方便、易于机电一体化等优点,目前得到越来越广泛的应用。本文将对这种位置传感器的结构原理,构成原则等作一分析。2霍尔传感器 磁敏式传感器是一种以磁场激发的磁敏元器件,它是名目繁多的传感器中重要的一个家族。磁敏传感器的种类很多,有磁阻元件、磁敏二极管、磁敏三极管、磁抗元件、方向性磁电元件、霍尔元件、霍尔集成电路,以及利用这些元器件二次集成的磁电转换组件。其中以霍尔效应原理构成的霍尔元件、霍尔集成电路、霍尔组件统称为霍尔效应磁敏传感器,简称霍尔传感器。 2.1半导体中的霍尔效应 1879年美国霍普金斯大学的霍尔(E.H.H all)发现,当磁场中的导体有电流通过时,其横向不仅受到力的作用,同时还出现电压。这个现象后来被称为霍尔效应。随后人们又发现,不仅是导体,而且在半导体中也存在霍尔效应,并且霍尔电势更明显,这是由于半导体有比导体更大的霍尔系数的缘故。 众所周知,任何带电粒子在磁场中沿着与磁力线垂直的方向运动时,都要受到磁场的作用力,该力称为洛伦兹力,其大小可用下式表示: F=qvB(1) 式(1)表明,洛伦兹力的大小与粒子的电荷量q,粒子的运动速度v及磁感应强度B成正比。 图1是在一长方形半导体薄片上加上电场E x 后的情况。在没有外加磁场时,电子沿外加电场E x 的相反方向运动,形成一股沿电场方向的电流I,如图1a所示。当加以与外电场垂直的磁场B时,运动着的电子受到洛伦兹力的作用将向左边偏移,并在该侧面形成电荷积累,如图1b所示。由于该电荷的积累产生了新的电场,称为霍尔电场。该电场使 收稿日期:19990802 1. 磁回路分析法 图1-4 （摘自Freescale PZ104文档） 在图1-4中，当两头的线圈通上电流时，根据右手螺旋定则，会产生方向指向右的外加磁感应强度B（如粗箭头方向所示），而中间的转子会尽量使自己内部的磁力线方向与外磁力线方向保持一致，以形成一个最短闭合磁力线回路，这样内转子就会按顺时针方向旋转了。 “当转子磁场方向与外部磁场方向垂直时，转子所受的转动力矩最大”。注意这里说的是“力矩”最大，而不是“力”最大。诚然，在转子磁场与外部磁场方向一致时，转子所受磁力最大，但此时转子呈水平状态，力臂为0，当然也就不会转动了。 当转子转到水平位置时，虽然不再受到转动力矩的作用，但由于惯性原因，还会继续顺时针转动，这时若改变两头螺线管的电流方向，如下图所示，转子就会继续顺时针向前转动，见图1-5所示： 图1-5 （摘自Freescale PZ104文档） 如此不断改变两头螺线管的电流方向，内转子就会不停转起来了。改变电流方向的这一动作，就叫做换相（commutation）。注意：何时换相只与转子的位置有关，而与转速无关。 以上是两相两级无刷电机的工作原理，，下面我们来看三相两极无刷电机的构造。 2. 三相二极内转子电机结构 定子三相绕组有星形联结方式和三角联结方式，而“三相星形联结的二二导通方式”最常用。 图1-6 （修改自Freescale PZ104文档） 图1-6显示了定子绕组的联结方式（转子未画出），三个绕组通过中心的连接点以“Y”型的方式被联结在一起。整个电机就引出三根线A, B, C。当它们之间两两通电时，有6种情况，分别是AB, AC, BC, BA, CA, CB，图1-7(a)~(f)分别描述了这6种情况下每个通电线圈产生的磁感应强度的方向（红、兰色表示）和两个线圈的合成磁感应强度方向（绿色表示）。 在图(a)中，AB相通电，中间的转子（图中未画出）会尽量往绿色箭头方向对齐，当转子到达图(a)中绿色箭头位置时，外线圈换相，改成AC相通电，这时转子会继续运动，并尽量往图(b)中的绿色箭头处对齐，当转子到达图(b)中箭头位置时，外线圈再次换相，改成BC相通电，再往后以此类推。当外线圈完成6次换相后，内转子正好旋转一周（即360°）。再次重申一下：何时换相只与转子位置有关，而与转速无关。 图1-8中画出了换相前和换相后合成磁场方向的比较与转子位置的变化。一般来说，换相时，转子应该处于，比与新的合成磁力线方向垂直的位置不到一点的钝角位置，这样可以使产生最大的转矩的垂直位置正好处于本次通电的中间时刻。 (a) AB相通电情形(b) AC相通电情形 (c) BC相通电情形(d) BA相通电情形 (e) CA相通电情形(f) CB相通电情形无刷直流电机的工作原理(带霍尔传感器)
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