1、无刷直流电机驱动控制
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 2018-01-30 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 2018-01-31 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 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。许多无刷直流电机的绕组也是这样。表面安装式磁铁无刷直流电机的反电势波形通常取决于磁铁的 磁场取向。要获得正弦形反电势的一般方法是采用磁铁的并联式磁化方向。而梯形反电势则采用径向磁化方向。最一般的无刷直流电机形式是4极，类梯形反电势波形的表面安装磁铁电机。 23.2 控制原理和控制策略 一般的自同步无刷直流电动机逆变器和驱动的结构图如图23.2所示。图中所示之驱动系统通常较多用于电压源逆变器 2018-2-01 术语“自同步”指的是为了定子相电流脉冲与电机各相反电势一致所需正确的各管导通顺序，驱动电路对即时转子位置信息的要求。 图23.2 基本的无刷直流电动机驱动 图23.3是无刷直流电动机一经典的位置和转速控制方案的方框图。如果仅仅期望转速 控制，可以将位置控制器和位置反馈电路去掉。通常在高性能的位置控制器中位置和转速传感器都是需要的。如果仅有位置传感器而没有转速传感器，那就要求检测位置信号的差异，在模拟系统中就要导致噪声的放大；而在数字系统中这不是问题。对于位置和转速控制的无刷直流电动机，位置传感器或者是其他获取转子位置信息的元件是一定要的。 图23.3经典转速和位置控制无刷直流电动机系统方框图 许多高性能的应用场合为了转矩控制还需要电流反馈[1]。至少，需要汇线电流反馈来防止电机和驱动系统过流。当添加一内电流闭环控制就能实现非常快的电流源逆变器那样的性能，而不需要直流耦合电抗器，它被称为电流调节电压源逆变器 2018-2-05 采用仅通断下开关或仅通断上开关的PWM技术可减少开关损耗，而上下开关同时通断则正相反。然而，如果运用提前角技术，上下两只管开和关，则由于在一个相臂上导通的开关管与另一相臂上的续流二极管间存在闭合路径，该路径产生的电流会导致负转矩。不运用一个“斩波”开关来调节直流母线电压可在驱动系统中省去一个开关，但是采用直流调节开关，也仅有一只功率半导体器件承受PWM的较高的载波频率开关损耗。采用可控整流器来改变直流母线电压要求额外的控制测量，增加开关损耗、驱动系统的原初成本和输电线功率因数控制的复杂性。当该驱动系统由公用电站供电，通常在整流器后要装一电抗器来降低公共电网的电流谐波含量。电抗器与直流耦合电容器共同工作形成一低通LC 或比例-积分滤波器 直流耦合电容给逆变器的高频纹波电流提供了通路，而电抗器则封锁了较高的频率，让平均电流通过。如果驱动系统由直流电源供电，也可以用一滤波器来减少流过电源的电磁骚扰。如果没有采用PWM，单独电流控制对于非调节直流母线的高性能转矩控制也是有效的。图23.3中的控制器方框“位置控制器”和“速度控制器”可以是如何型式的传统控制器，如比例-积分控制器，或是一较为先进的控制器。“电流控制器和换向定序器”向三相逆变器提供适当的定序栅极信号，而将传感器所测电流与参照电流相比较，以通过滞后<电流斩波） 或由一电压源 2018-2-06 参考文献3中给出开关的详细说明。标准设置无刷电动机的换向角以使电动机在转矩角曲线的峰值附近换向。就一台三角形联结或星形联结三相电动机来说，其换向发生在转矩角曲线峰值的前30o电角度或后30o电角度。当电机的转子位置在峰值前移动了30o电角度，于是换向传感器就使得相应的定子相通电，其绕组激励后使得转子迅速地移动到相对于下一转矩角曲线峰值的-30o电角度的位置。转矩曲线既可由线与线间联结的通电激励强迫转子转动，同时测量电机转矩时而得，也可通过施力于转轴，绕组加载，测量不同转子位置的转矩而得[3]。一台梯形反电势电机的这些曲线的实际形状也应是梯形的。然而，由于绕组构形、局部饱和、大部分饱和，以及漏磁的原因，梯形<反电势）电机的反电势曲线和转矩角曲线的形状更接近于扁平峰顶的正弦形[4]。 2018-2-08 位置传感器通常既可以是一只3元件霍尔效应传感器，也可以是一只光学编码器。角度控制器是另一选择，它可让电流脉冲相对于转子位置作相位移动<超前），允许电流脉冲在电流脉冲/ 相反电势基准线前接近完全建立，从而能够增加电机的转速范围。角度的提前是因绕组电气时间常数的要求。电流脉冲的建立需要一给定的时间值。在较高的转速下，要求在电流脉冲与反电势一致前电流脉冲建立时间短一点也还可以。这种形式运行的一个问题是其驱动或会“软”一些，例如在直流电机弱磁运行的场合。“软”特性驱动是那种具备与正常的硬特性驱动相比在同样给定负载变化下转速变化较大的转速/ 负载转矩特 性的驱动。参考文献5中推断，若考虑系统是正弦系统<永磁同步电动机），或仅仅考虑准方波驱动电流和梯形反电势电压波形的基波，在角度超前运行中所需要的反应功率要增加。 23.3 转矩的产生 图23.4给出一台三相、4极、12槽、满距、表面安装磁极、梯形反电势无刷直流电机的剖面图，等值电路图和相应的波形图。图中的V ab，V bc和V ca是线反电势，它们是由永久磁铁的径向磁通穿过气隙，以与转子转速成正比的速率切割定子线圈而产生的。波形 V an，V bn和V cn是线对电机中性点的反电势，或相反电势电压，它们是由电机等值电路中的电压源来表示的。定子线圈按标准三相满距集中布置，从而相梯形反电势波形彼此相差120o电角度<120oe）。图23.4中所示电流脉冲发生方式是120o电角度通电，60o电角度断电，平均每相电流流通于每360o电气周期的三分之二时间，正向120o电角度，反向120o电角度。在一相各“通电”期间之间是60o电角度的“断电”时间，在此期间该相标记为“静默相”。“静默相”期间典型用于无刷直流电机的“无传感器控制”中对反电势进行观测来确定转子位置。 图23.4 三相、4极无刷直流电机剖面图，等值电路图和相应的波形图 另一开关规则系统的可能性包括改变电流脉冲的闭锁时间，也就是改变脉冲的“通 电”时间。闭锁时间理论上可以增加至180o电角度，然而，在一带有电感的实际电路中存在换向滞后，所以为换向的交搭，脉冲必须保持一些重叠余地<通常不到15o电角度）。参考文献6中测定出通过系统地增加闭锁时间角，从低速时的120o电角度开始到高速时的180o电角度，在所有转速下都能获得最大转矩。 要获得最大转矩/电流比下的驱动，就得要求线电流脉冲要被特定相的线-中性点反电势电压所交搭。由转矩产生的基本物理原理，即转矩 = 总作用力×力臂，可得出最大转矩输出，式中的作用力由转子磁铁产生的磁通与定子线圈中的电流相互作用而产生。由洛伦兹力方程 式中 N = 每相每槽匝数 I = 线圈电流 B = 磁通密度矢量 L = 线圈边有效长 在任意给定时间里都有两相通有直流电流。对于以相同方向流动的电流，一给定极性的径向磁化磁铁在圆周方向上足够宽，足以覆盖两相邻的槽，从而在两槽中的线圈上产生力，这些力相加就形成一极下的总电磁力。而电机总的力就是所有磁极下的力的总和。 例如，对一台径向磁化磁铁的无刷直流电机，整距绕组，两相同时与方波激励相互作用，磁铁圆周方向的跨距差不多等于磁极极弧，则转矩可由下式给出[7]： 式中 N p= 工作相的数目 N t = 每相每槽匝数 N spp = 每相每极槽数 P = 磁极数 I = 直流电流大小 B g = 由磁铁给出的气隙径向磁密 L = 定子和转子重合部分的铁心长度 R = 转子外圆半径<力臂长） 对于一台特定的电机几何形状的最为精确的静态转矩轮廓，在电机制造前，是采用一有限元软件包中的数值方法来确定的。有限元方法用于现代计算机中，它需要冗长的时间来算得相对于只要求近似的手工计算要高度精确得多的解。无刷直流电机的有限元方法在本章稍后讨论。 2018-2-09 23.4 优点和缺点 本节的目的是清楚讨论永磁无刷直流电动机 永磁无刷直流电动机给汽车工业和航空工业制造商们带来很多优点： 1 低噪声。 PM – BLDC不需要机械电刷或滑环。这就从根本上消除了除了轴承、耦合以及负荷以外的所有机械噪声。从电磁角度，换向频率取决于电机的转速和电机的极数， 其关系式为，式中ωe是电气<换向）频率<每相），单位为每秒电气弧度 2018-2-10 在驱动变换器中换向所需的每一单独的半导体器件的开和关按电气频率的速率出现，即每一开关每电气周期开、关各一次。由于在逆变器中经常采用脉宽调制 2 高效率。永磁无刷直流电动机 于永久磁铁提供了几乎恒定不变、持续的磁场而不消耗电功率。另一个重要的特点是它的长寿命，在合适的工作条件下永久磁铁交变磁化系数相当小[7]；也即是永久磁铁能够在很长时间内保持它们的磁性能不变。另一个效率因数是采用永久磁铁后省去了在直流电机和部分交流电机中电刷和滑环所引起的附加转矩。 3 省却励磁。如上所述，永久磁铁提供一恒定磁场，它通过省却了大多数其他电动机中所需要建立的电磁场的励磁而提高了效率。 4 低维护和较长寿命。因无需电刷和滑环，故电机的寿命仅取决于绝缘、轴承和磁铁的寿命。 5 易于控制。控制和逆变器半导体组件的持续进步降低了对无刷直流电动机驱动的设计和制造的技术要求。许多半导体制造商生产了专用于无刷直流电动机驱动的控制集成电路 6 较轻及更为紧凑的结构。航空和汽车应用要求较轻及更为紧凑的部件来提高燃油效率和降低燃油存储需要。最近，更高能量密度的磁铁，钐钴和铷铁硼被用在这些应用领域中的更高功率密度的电机中。 2018-2-11 7 易于冷却。由于电枢<定子）绕组在电机的外侧，所以PM – BLDC具有易于散热处理的固有特性。大家知道PM – BLDC中所产生的损耗的主要部分是绕组中的I2R铜耗[10]。既然绕组安放在电机的外侧，所以热就可以自由地通过外表面从电机散逸。这是直流电机所不具备的优点，在直流电机中绕组的热往往被堵在转子<电枢）中。 与所有的现代电机一样，PM – BLDC也有其固有的缺点： 1 永久磁铁的成本。在相较对得到上述所列所有优点的系统更为在意其初期成本的场合，较高能量密度的磁铁的高成本就妨碍了它在其中的应用。典型的有，陶瓷磁铁是最便宜的也是能量密度最低的。铷铁硼磁铁具有最高的能量密度，但其成本差不多是陶瓷<铁氧体）磁铁的3倍。钐钴磁铁具有与铷铁硼差不多的能量密度，其成本几乎是陶瓷磁铁的6倍[11]。成本是原料是否能够用于制造磁铁的可能性的第一位考虑的因素，然而，正如我们后面要讨论的，除了成本之外的其他考虑，如热，就可能迫使我们在某些应用中不得不采用特定类型的磁铁材料。 2 永久磁铁退磁的可能性。在用永久磁铁时得相当小心，由于在永久磁铁遭受到很大 的去磁力或磁铁遭受到高温时都可能退磁。 2018-2-13 3 大型磁铁的危险性。永久磁铁电机较少运用在大型驱动中，例如，＞100Hp。一个原因是处理较大型永久磁铁时的困难以及大型永久磁铁所呈现的危险。曾有报道说一次制造大型永磁电机导致金属物体越过房间飞向永久磁铁而造成事故。还有，要将预先充磁的磁铁放进电机中，其尺寸越大，就要求大功率的加工手段，相对高精度的控制能力，以避免损坏磁铁。更为安全及更实际的在原位置处磁化要求既可通过专门设计的可以围绕和在组合式电机内部的线圈系统来实现，也可通过装在电机中的附加绕组对磁铁提供磁化来实现。两种方法都显著增加了系统的成本。 23.5 转矩脉动 转矩脉动确实是无刷直流电动机驱动中的一个问题。无刷直流电动机驱动中的转矩脉动有种种原因： 换向转矩脉动是由于各相以60o电角度间隔开与关。该脉动的频率为6倍的基波频率。产生这种脉动类型的原因是在一相关断<换向）时另一相导通，各自相电流上升和下降的速率不相等，如此这两相电流在换向期间产生的转矩不能即时相加到另一完全励磁相产生的转矩值上，这就引起了在换向间隔中出现一不够平滑的转矩。在参考文献16中，采用了一种依赖于速度斜坡的斜坡电流来控制开通的那一相和换向的那一相。凭借这两相的斜坡电流波形使得这两相产生的转矩等于完全电流水平的一相产生的转矩。参考文献6就曾报告闭环控制能够消除换向转矩脉动，它所提供的这些脉冲的频率低于闭环速度的带宽。 2018-2-14 在低速时齿槽转矩是明显的，它是由于磁铁对于定子齿的自然吸引和排斥。一些人更倾向认为是磁阻转矩，即，齿槽转矩是由于磁铁的磁通试图将转子或定子向磁铁齿部移动对齐而找到磁阻的最短路径[6]。一典型的磁阻转矩分布是在有槽定子中的转子的角位置的函数，而且是周期为∫极距的周期函数[12]。齿槽转矩可由各种设计方法来克服。减小齿槽效应的最为普通的电机设计方法是将磁铁或定子槽斜一槽距。不过，这会增加反电势波形的畸变，且可能会增加轴向力。 梯形反电势波形的畸变也可能由转矩脉动引起。这些畸变可以是由于磁铁间的漏磁路径引起，使得反电势波形的两角处变成圆形[1]。也还要各种各样的其他原因，诸如，极靴处局部饱和，由于很大的定子电流产生的电枢反应，并由定子磁场影响到转子的磁场，永 久磁铁部分或局部去磁，有绕组分布带来的电机特定的性能，几何的原因，设计的原因。相反电势的畸变使其产生不足120o电角度的鸡冠波峰<平顶），阻止了相反电势与相电流在120o电角度<断续的[13]）内完全同相运行的可能性。如果每一相电流没有在120o电角度范围内完全与对应相反电势同相位，又不采用特殊的控制技术，在CRVSI BLDC驱动中得到零转矩脉动是不可能的[14]。 2018-2-15 转矩脉动的出现也可能来自滞后电流控制频率，或是来自在PWM载波频率速率下对电流波形的斩波。 由电机开槽以及分布绕组与准方波电流激励的耦合造成的谐波也会引起除基波之外的转矩分量。 一般说来，电机在低速和重载时其转矩脉动是最显著的。转矩脉动常常是由其转速脉动来说明，而转速脉动要易测得多。转速脉动也还与电机与负载的耦合有关，与电机及负载的机械<动态）特性有关。一高度顺从的<转矩刚性不足）耦合或负载将较容易遭受以转速脉动和机械振动形式出现的转矩脉动，就象一小旋转惯量的系统那样。一般的解决办法是在可能的情况下尽量采用电机与负载之间的较为硬的刚性耦合。不管是什么负载，除非在系统中提供了附加的刚性、阻尼，或是提高了其转动惯量，否则机械负载和耦合就要限定其系统对转矩脉动的固有灵敏度的某个限值。 23.6 设计考虑 磁路、有限元分析的使用、一系列深入细致的几何计算，还有递推设计和再设计使得无刷直流电机的原理得以实现。典型的，最初设计是计算和磁路分析。接着，一段较为耗时的借助于有限元分析的“脂肪修剪”工程或将开始。“脂肪修剪”工程包括在不牺牲所要求的设计技术指标的前提下尽可能减小电机的尺寸。由于通过有限元分析可以得到磁通分布，因而使用者就可能确定电机在任意工作点和任意转子位置时电机材料的饱和和非饱和状态。一种简化的、针对磁铁表面安装，假定磁铁材料具有无限大磁导率的梯形反电势电机的一次通过的设计可以由Matlab程序很容易地开发出来。有关方程和方法可在参考文献15中查得。一简单的计算机电机设计程序可以提供典型的快速初步试算方法，然后借助于有限元包进行建模、分析和调整。 2018-2-16 23.7 BLDC的有限元分析和设计考虑 要获得一特定电机的静态的转矩分布，就要将其相对于转子位置的磁通图，或是其他 图解表示或数据输入到有限元包中。将电机的每一部分给以恰当的材料性能赋值，如，给磁铁赋以B r、H c、μrecoil值，或许还有其他磁铁参数，如表示它们磁场定向的方向或方向函数的赋值，磁性材料的磁导率赋值，如果磁性材料各向异性的话，则还要给出极化参数。电流密度<或总电流）被赋予期望电流流动的铜材料区域。一些软件包具有允许电机的几何组成旋转、移动，或允许材料性能对每一有限元解法作某量级上的数值改变的参量特征。典型的，我们发现有许多对电机的解法则是通过某些参数改变来确定位置或材料性能变化对电机性能的影响。作为例子，无刷直流电机的转矩分布可以通过转子结构的小角度增量的旋转及找出在每一角度增量上作用于转子的转矩而得到，此时相应的相电流保持工作。 在电机设计中有限元分析能够确定的其他要素还包括磁性材料的饱和程度、遍布电机的磁通密度大小、热性能和可能的热点，以及在振动分析中所研究的涡流和磁致伸缩的影响。在设计中，通过观测在整个计算过程中的磁密分布，就可确定电机中使用什么材料，进而允许材料可否做得更薄一些。例如在峰值转矩条件下磁极背铁轭的磁密过低，则其厚度就可减少。还有，在开头的手工计算后，磁铁的圆周和径向长度得以优化，然后用计算机程序进行第一步试算。更为复杂的有限元包具有进行机械的、电磁的、热的、静电的、还有涡流的分析功能。甚至还能在电机通电的条件下，将电路和机械负载在有限元模型中相联结来核实功能、分析电气波形及机械响应。它不仅能提供用户电磁约束的设计，而且确保机械性能指标的满足。 23.8 永久磁铁 永久磁铁是BLDC的基本要素。在1950年代，被认为是最早的BLDC电机的是采用铝镍钴磁铁的永磁同步电动机[1]。图23.5画出的是最普通型的永久磁铁的典型去磁特性图。该图中的曲线事实上仅仅是永久磁铁的特性在B-μo H平面的第2象限中的那部分。去磁特性与μo H坐标轴的交点处的H值被称为磁性材料的矫顽磁力H c。B-轴的交点则被称为剩磁B r。第2象限的去磁特性的拐点上面部分的斜率等于磁铁的相对磁导率。矫顽磁力定义 图23.5 最普通型的永久磁铁材料的典型去磁特性； A．烧结铁氧体，B．钐钴C．铷铁硼，D．铝镍钴 为欲将磁铁的磁通密度减少到零所要求的磁化力的数量。这是一去磁力，因而是负值。它与磁铁产生的磁通的固有特性反向。磁铁的剩磁被认为是在外部磁化力完全失去后磁铁磁通产生表面仍保有的磁通密度。这是当磁铁被卫铁闭合后其中的磁通密度，或当一具有无限大导磁率的材料用作从磁铁这端到另一端的导磁路径中的磁通密度[7]。 磁铁通常是两种类型中的一种：烧结型或铸造<粘结）型[11]。尽管两种类型磁铁均有很宽的可用磁性能范围，但通常电机中用得更多的是烧结型，由于它们的特性更适应电机的较高性能运行[15]。永久磁铁在B-μo H平面所有4象限中的特性曲线实际上是一大的磁滞曲线。正常地，在电机设计和驱动考虑中还是仅仅考虑其在第2象限中那部分，由于第2象限才是合乎需要的工作点出现的地方。在设计一台BLDC时，用来表示等效为一磁极的电机的一个区域的磁路必须由包括由永久磁铁和定子绕组安匝共同构成的磁势源构成。等效磁路的其他组成部分还包括磁性材料所有部分的磁导或磁阻，即定子和转子轭铁、定子齿<或极身）、极靴，还有电机的非磁性材料部分，气隙、铁心槽、绕组和磁铁。 2018-2-17 磁路在任意瞬时的总磁导，在将磁铁作用看成是一磁通源的角度看来，决定了磁铁的瞬时工作点，如图23.6所示。负载线斜率的绝对值由电机的容量决定。参考文献7中定义了“磁导系数”PC。负载线的斜率为PC×μo的绝对值。参考文献7中所给出的一极简单的 图23.6 去磁特性与负载线 表达式就将PC与磁铁的磁通密度B M、剩磁磁密B r、和反向磁导率μrec联系在一起： 它又是电机工作在开磁路条件下去磁曲线位置下降多少的测量。电枢通电后产生的附加磁场在电枢电流增大时将负载线向左移动。在图23.6中，随气隙长度的增加负载线绕原点逆时针方向旋转。在工作点移近拐点或是移离拐点的任何工作点改变，或将工作点从右移到左边后，再反向改变，则其返回路径就要沿着反向磁导率的斜率。因此，切记要尽可能避免将工作点越过拐点移动向左，由于这样做蕴含导致很大的不可逆转退磁的可能性，取决于磁铁本身的去磁特性。 无刷直流电动机应这样设计，在其正常运行时，其静态磁导特性<静态负载线）要选择在第2象限与磁铁的去磁特性曲线相交，静态负载线的斜率常常取-4左右[15]。静态负载线与第2象限内磁铁去磁特性曲线的交点越高，电机的磁路的磁导在绕组未通电流时的磁导越高。当绕组通入电流后，磁性材料的磁阻的大小随着磁路的饱和程度<局部的还是整体的）而改变。这就造成负载线由静态而变化。如果负载线由曲线的第2象限部分向下至X轴方向移动，再反过来沿着特性曲线的直线部分向Y轴方向移动，则磁铁的工作点保持在特性曲线上。如果绕组中的电流在磁铁产生的磁通使得电机严重饱和，则磁导要降低，负载线旋转趋向与B-μo H平面的负X轴对齐。 在设计中需要特别小心以确保提供给电机的磁铁最大矫玩磁力不能导致负载线与去磁特性曲线的交点在拐点下方。包含在其内的还有在温度变化对去磁特性曲线位置变化的考虑。由于象钐钴、铷铁硼这些高能量密度磁铁的负温度系数，它们去磁特性的矫顽力在温度提高引起去磁特性上的拐点上升时在幅度上趋于减小，使得电机在较高温度下易于退 磁。对于铁氧体永磁电机的情况，铁氧体磁铁具有正矫顽温度系数，它在较低温度下对去磁更敏感一些，随着温度上升其去磁特性在第2象限或第3象限的拐点降得更低[16]。然而在所有的情况下，剩磁的温度系数是负的，从而随着温度升高特性曲线总是垂直下降。对于烧结氧化体磁铁，除非达到其居里温度或稍稍超过一点，它的温度影响总是可逆的。而对于稀土磁铁，即使其工作温度还不到其居里温度，只要它不发生冶金的改变，温度对它的影响也是可逆的[7]。在BLDC中最常用的磁铁，烧结铁氧体、钐钴和铷铁硼的居里温度分别是450、700~800和310Co。 常常给予磁铁以基于“最大能量密度”的评价。在参考文献7中，将B和μo H数值的乘积定义为最大磁能积或最大能量密度，它们形成了位于第2象限的曲线。特定磁铁的参量是其B×μo H曲线，而磁铁的退磁特性曲线恰恰是B×μo H曲线的正切。 23.9 BLDC仿真模型 本节提出可以用于BLDC电动机和驱动的计算机程序仿真模型的方程组。所考虑的驱动采用120o电角度开通，60o电角度关断模式或是准方波激励电流的间歇型开关模式。该仿真模型可以改进来兼容连续方波运行，或180o电角度开通，180o电角度关断型，或正弦激励和反电动势型。 为了确定一台BLDC电动机和驱动的计算机程序仿真运行所要求的是什么方程，必须先考察驱动的拓扑结构和方式。电动机及其驱动的原理图请参见图23.2和图23.4.。每一相的开关和绕组的总的电阻被合并成一单个的R值，绕组的互感抗和漏感抗则并入绕组总电抗L中。我们首先考察该驱动的两个模式。第一个模式是上桥臂开关和下桥臂开关都导通时的模式。第二个模式则是在换向期间，在一个开关关断，另一个开关开通时，其余开关则保持导通。 2018-3-01 参见图23.2和图23.4，首先考虑开关1和开关6开始导通，同时开关2正在状态转换<开断），线-线间电压方程为 (23.1> (23.2> (23.3> 已知 (23.4> (23.5> (23.6> (23.7> 由方程23.1得 (23.8> 由方程23.2得 (23.9> 由方程23.3得 (23.10> 将方程23.6代入方程23.8中 (23.11> 将方程23.10代入方程23.11中 (23.12> 将方程23.7代入方程23.9中 (23.13> 将方程23.8代入方程23.13中 (23.14> 将方程23.5代入方程23.10中 (23.15> 将方程23.9代入方程23.15中并整理后得 (23.16> 方程23.12、23.14和23.16是分别表示A、B、C三相电流的微分方程，只要换相相电流未降到零<在此处，即i c = 0的情况），该微分方程都是成立的。i c = 0以后，直到下一整个换相时序，电压方程为 (23.17> (23.18> (23.19> 以上3方程是将关系式23.20代入方程23.1、方程23.2及方程23.3的结果。 (23.20> 由方程23.17得 (23.21> 现在，有i a = -i b，将i b代入方程23.21中，经过一些变换处理后得 (23.22> 在i c = 0的情况下，上式是成立的。不过，就充要性来说，在V BC和V CA不确定时，方程23.18和23.19是不成立的。 通过下一顺序的运算就可得结果。下一步，开关5和开关6开始导通，而开关1转换， 在i a = 0时，有 (23.23> (23.24> (23.5> 由方程23.23得 (23.26> 由方程23.24得 (23.27> 由方程23.25得 (23.28> 将方程23.6代入方程23.26， >= (23.29> 将方程23.28代入方程23.29， (23.30> 将方程23.7代入方程23.27， >= (23.31> 将方程23.26代入方程23.31， (23.32> 将方程23.5代入方程23.28， >= (23.33> 将方程23.27代入方程23.33后再整理后得， (23.34> 在i a = 0，i b = -i c，i a = di a/dt = 0后，唯一成立的电压方程是方程23.24，将它重新整理后就得到如下微分方程 (23.35> 第一组方程表达的是一下臂开关状态正在转换的情形，其时开关1和开关6正开始导通，开关2状态正在转换。第一组方程表达的是一上臂开关状态正在转换的情形，其时开关6和开关6正开始导通，开关1状态正在转换。在这两种情况下除了符号V，这三道微分方程完全相关联。概括地说，W相是保持状态的相，X相是刚要导通的相，Y相则是正要关断的相。逆变器的上臂状态转换开关的V也是正的，而其下臂状态转换开关的V则是负的。此处，开关1、3和5是上臂开关，开关4、6和2是下臂开关。从而一般方程就如下所示： 在i Y = 0之前， (23.36> (23.37> (23.38> 在i Y = 0之后， (23.39> 为建立计算机程序仿真模型，经由方程23.39的方程23.36的求解方法可以有很多选择。选择最多的方法是数值积分法和离线分析法。离线分析法可以在能够在拉普拉斯域中进行，而三相电流则可得到时域方程的解。该方法如下所示。 考虑方程23.36，拉氏域方程列出如下 (23.40a> 略作整理， (23.40b> 该方程给出了时域解 (23.41> 另外两相电流 (23.42> (23.43> 方程23.41,方程23.42和方程23.43是i Y = 0之前的时域解。在i Y = 0之后，其解变为 (23.44> 式中t1是第二个模式的开始时间，即在i Y = 0时。在运用这些方程中的微妙的难点是每一个方程中的指数时间t，在每一特定的相电流跃起或跌落的开始，指数t为t = 0。 解相电流微分方程的第二种方法是数值积分。在参考文献17中可找到梯形积分的常规方法。其中含有将一阶线性微分方程化成以下类型的状态空间形式 (23.45> 式中 x = 相电流矢量 A = 系统矩阵 B = 输入耦合矩阵 [18] u = 电压矢量 将方程23.36转化为上述形式的例子如下： (23.46> 式中采用大写字母I而不是小写字母i是为了避免混淆其头上的点不认为是电流的导数。该表达式很容易推广至所有三相电流。如果在这些方程的仿真积分所采取的时间步距足够小，则方程23.45的连续时域的解即为以下形式： 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 无刷直流电机驱动器说 明书 -CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1 无刷驱动器DBLS-02 一概述： 本控制驱动器为闭环速度型控制器，采用最近型IGBT和MOS功率器，利用直流无刷电机的霍尔信号进行倍频后进行闭环速度控制，控制环节设有PID速度调节器，系统控制稳定可靠，尤其是在低速下总能达到最大转矩，速度控制范围150~10000rpm。 二产品特征: 1、 PID速度、电流双环调节器 2、高性能低价格 3、 20KHZ斩波频率 4、电气刹车功能，使电机反应迅速 5、过载倍数大于2，在低速下转矩总能达到最大 6、具有过压、欠压、过流、过温、霍尔信号非法等故障报警功能 三电气指标 标准输入电压：24VDC~48VDC，最大电压不超过60VDC。 最大输入过载保护电流：15A、30A两款 连续输出电流：15A加速时间常数出厂值：秒其他可定制 四端子接口说明 : 1、电源输入端: 引角序号引角名中文定义 1V+直流+24~48VDC输入 2GND GND输入 引角序号引角名中文定义 1MA电机A相 2MB电机B相 3MC电机C相 4GND地线 5HA霍尔信号A相输入端 6HB霍尔信号B相输入端 7HC霍尔信号C相输入端 8+5V霍尔信号的电源线 GND：信号地F/R：正、反转控制，接GND反转，不接正转，正反转切换时，应先关断ENEN：使能控制：EN接地，电机转（联机状态），EN不接，电机不转（脱机状态）BK：刹车控制：当不接地正常工作，当接地时，电机电气刹车，当负载惯量较大时，应采用脉宽信号方式，通过调整脉宽幅值来控制刹车效果。SV ADJ：外部速度衰减：可以衰减从0~100%，当外部速度指令接时，通过该电位器可以调速试机PG：电机速度脉冲输出：当极对数为P时，每转输出6P个脉冲（OC门输入）ALM：报警输出：当电路处于报警状态时，输出低电平（OC门输出）+5V：调速电压输出，可用电位器在SV和GND形成连续可调内置电位器：调节电机速度增益,可以从0~100%范围内调速。 五驱动器与无刷电机接线图 PES331 3-Phase Brushless DC Motor Controller 10F-2, No. 1, Sec. 2, Dong-Da Road, Hsin-Chu 300, Taiwan, R.O.C. TEL: 886-3-532-7598 + https://www.360docs.net/doc/4816359398.html, Key Features: Support 3-Phase Brushless DC motor with hall IC interface Applications for electric screwdriver, electric drill and electric tooling Programmable motor phase sequence Automatically stop after lockup Re-lockup protection Over current protection 5V operating voltage Pin Diagram and Pin Description PWM_BH DIR_IN PWM_AL PWM_CL AVDD VDD HALL_A HALL_C NC2 PWM_CH PWM_BL PWM_AL START_IN GND VBus AGND CUR_SEN T_CMD NC1 HALL_B PES331(SSOP20-150mil) Pin No. Pin Name I/O Description 1 PWM_CH Output C output signal to control the high side of motor driver 2 PWM_AL Output A output signal to control the low side of motor driver 3 PWM_BL Output B output signal to control the low side of motor driver 4 START_IN Input Start to operate 5 GND - Ground 6 AGND - Analog Ground 7 T_CMD Input Clutch signal Input to set the required torque 8 CUR_SEN Input Analog input to sense motor current BLDC SERVO DRIVERS 无刷直流调速驱动器 使用手册1.3 系统上电前请仔细阅读手册 DBLS-01系列 直流无刷电机驱动说明书 一、概述 本控制驱动器为闭环速度型控制器，采用最近型IGBT和MOS功率器，利用直流无刷电机的霍尔信号进行倍频后进行闭环速度控制，控制环节设有PID速度调节器，系统控制稳定可靠，尤其是在低速下总能达到最大转矩，速度控制范围150~6000rpm。 二、特点 1、PID速度、电流双环调节器 2、高性能低价格 3、20KHZ 斩波频率 4、电气刹车功能，使电机反应迅速 5、过载倍数大于2，在低速下转矩总能达到最大 6、具有过压、欠压、过流、过温、霍尔信号非法等故障报警功能 三、电气指标 标准输入电压：24VDC\36VDC\48VDC 三种 最大输入过载保护电流：5A\15A两种 加速时间常数出厂值：0.2秒其他可定制 四、端子接口说明 1、电源输入端 引角序号引角名中文定义 1 V+ 直流+24V输入 2 GND 直流0V输入 2、电机输入端 引角序号引角名中文定义 1 MA 电机A相 2 MB 电机B相 3 MC 电机C相 4 GND 地线 5 HA 霍尔信号A相输入端 6 HB 霍尔信号B相输入端 7 HC 霍尔信号C相输入端 8 +6.25 霍尔信号的电源线 3、控制信号部分 GND：信号地 F/R：正、反转控制，接GND反转，不接正转，正反转切换时，应先关断EN EN：使能控制：EN接地，电机转（联机状态），EN不接，电机不转（脱机状态） BK：刹车控制：当不接地正常工作，当接地时，电机电气刹车，当负载惯量较大时，应采用脉宽信号方式，通过调整脉宽幅值来控制刹车效果。 SV ADJ：外部速度衰减：可以衰减从0~100%，当外部速度指令接6.25V时，通过该电位器可以调速试机 PG：电机速度脉冲输出：当极对数为P时，每转输出6P个脉冲（OC门输入） ALM：报警输出：当电路处于报警状态时，输出低电平（OC门输出） +6.25V：调速电压输出，可用电位器在SV和GND形成连续可调 拔码开关说明：四个档位为OFF时，电机不运行，SW1为ON状态时，电机转速为100%，SW2为ON状态时，电机转速为80%，SW3为ON状态时，电机转速为40%，SW4为ON状态时，电机转速为20%。 4.机械安装： 应用越来越广泛的直流电机，驱动电路设计 Source：电子元件技术| Publishing Date：2009-03-20 中心论题： ?在直流电机驱动电路的设计中，主要考虑功能和性能等方面的因素 ?分别介绍几种不同的栅极驱动电路并比较其性能优缺点 ?介绍PWM调速的实现算法及硬件电路 ?介绍步进电机的驱动方案 解决方案： ?根据实际电路情况以及要求仔细选择驱动电路 ?使用循环位移算法及模拟电路实现PWM调速 ?对每个电机的相应时刻设定相应的分频比值，同时用一个变量进行计数可实现步进电机的分频调速 直流电机驱动电路的设计目标 在直流电机驱动电路的设计中，主要考虑一下几点： 功能：电机是单向还是双向转动？需不需要调速？对于单向的电机驱动，只要用一个大功率三极管或场效应管或继电器直接带动电机即可，当电机需要双向转动时，可以使用由4个功率元件组成的H桥电路或者使用一个双刀双掷的继电器。如果不需要调速，只要使用继电器即可；但如果需要调速，可以使用三极管，场效应管等开关元件实现PWM（脉冲宽度调制）调速。 性能：对于PWM调速的电机驱动电路，主要有以下性能指标。 1。输出电流和电压围，它决定着电路能驱动多大功率的电机。 2。效率，高的效率不仅意味着节省电源，也会减少驱动电路的发热。要提高电路的效率，可以从保证功率器件的开关工作状态和防止共态导通（H桥或推挽电路可能出现的一个问题，即两个功率器件同时导通使电源短路）入手。 3。对控制输入端的影响。功率电路对其输入端应有良好的信号隔离，防止有高电压大电流进入主控电路，这可以用高的输入阻抗或者光电耦合器实现隔离。 4。对电源的影响。共态导通可以引起电源电压的瞬间下降造成高频电源污染；大的电流可能导致地线电位浮动。 5。可靠性。电机驱动电路应该尽可能做到，无论加上何种控制信号，何种无源负载，电路都是安全的。 三极管-电阻作栅极驱动 1．输入与电平转换部分： 输入信号线由DATA引入，1脚是地线，其余是信号线。注意1脚对地连接了一个2K欧的电阻。当驱动板与单片机分别供电时，这个电阻可以提供信号电流回流的通路。当驱动板与单片机共用一组电源时，这个电阻可以防止大电流沿着连线流入单片机主板的地线造成干扰。或者说，相当于把驱动板的地线与单片机的地线隔开，实现“一点接地”。 高速运放KF347（也可以用TL084）的作用是比较器，把输入逻辑信号同来自指示灯和一个二极管的2。7V 基准电压比较，转换成接近功率电源电压幅度的方波信号。KF347的输入电压围不能接近负电源电压，否则会出错。因此在运放输入端增加了防止电压围溢出的二极管。输入端的两个电阻一个用来限流，一个用来在输入悬空时把输入端拉到低电平。 文献综述 电气工程及自动化 无刷直流电机控制器的综述 摘要：实现由专用集成芯片及外围电路构成的一种体积小、结构紧凑、调试方便的无刷 直流电机控制器，实现电机的正反转，并分析了各部分的电路结构。 关键词: MC33035; MC33039;无刷直流电机;控制器; 1引言 无刷直流电机是随着大功率开关器件、专用集成电路、稀有永磁材料、微机、新型控制理论及电机理论的发展而迅速发展起来的一种新型电动机，它比交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具备直流电动机运行效率高、无励磁损耗、调速性能好等特点，因此在当今国民经济的各个领域(如医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺以及家用电器等方面) 的应用日益普及。 2无刷电机的控制结构及原理 所谓无刷直流电动机是利用半导体开关电路和位置传感器代替电刷和换向器的直流电动机，也就是，它是把电刷与换向器的机械整流变换为霍尔元件与半导体功率开关元件的电子整流。无刷直流电机由转子和定子两部分组成，转子用永磁材料制成，构成永磁磁极，定子由绕组和铁芯组成，定子铁芯由导磁硅铁片迭压而成，其周上均匀分布的槽中嵌放有很多相电枢绕组。直流无刷驱动器包括电源部及控制部：电源部提供三相电源给电机，控制部分需要转换输入电源频率。 图一 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用换流器将直流 电压转换成3 相电压来驱动电机，换流器一般由6个功率晶体管分为上臂(A+、B+、C+)臂(A-、B-、C-）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作为之闭回路控制，同时也作为相序控制的依据。 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。 图二 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，否则当上臂(或下臂)尚未完全关闭，下臂(或上臂)就已开启，结果就造成上、下臂短路而使功率晶体管烧毁。当电机转动起来，控制部会再根据驱动器设定的速度及加/减速率所组成的命令(Command)与hall-sensor 信号变化的速度加以比对(或由软件运算)再来决定由下一组(AH、BL 或AH、CL 或BH、CL 或……)开关导通，以及导通时间长短。速度不够则开长，速度过头则减短，此部份工作就由PWM 来完成。PWM 是决定电机转速快或慢的方式，如何产生这样的PWM 才是要达到较精准速度控制的核心。高转速的速度控制必须考虑到系统的CLOCK 分辨率是否足以掌握处理软件指令的时间，另外对于hall-sensor信号变化的资料存取方式也影响到处理器效能与判定正确性、实时性。至于低转速的 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 基于MC33035的无刷直流电机驱动控制系统设计 摘要 随着社会的发展和人民的生活水平提高，人们对交通工具的需求也在不断发展和提高。电动自行车作为一种“绿色产品”已经在全国各省市悄然兴起，进入千家万户，成为人们，特别是中老年人和女士们理想的交通工具，受到广大使用者的喜爱。 MC33035的典型控制功能包括PWM开环速度控制、使能控制(起动或停止) 、正反转控制和能耗制动控制。此芯片具有过流保护、欠压保护、欠流保护、又因此芯片低成本、高智能化、从而简化系统构成、降低系统成本、增强系统性能、满足更多应用场合的需要。 设计的直流无刷电机控制器是采用 MC33035 芯片控制的，以本次设计结果表明，MC33035的典型控制功能带有可选时间延迟锁存关断模式的逐周限流特性以及内部热关断等特性。电动自行车作为一种新型交通工具已经在社会上引起很大的影响并受到广大使用者的喜爱。 关键词：电动自行车，无刷直流电机，MC33035，位置传感器 THE BRUSHLESS DC MOTOR DRIVE SYSTEM DESIGN BASED ON MC33035 CHIP ABSTRACT With the rapid development of technology, new energy technologies in recent years have been widely used. For example, the small size, light weight, high efficiency, low noise, large capacity and high reliability features such as permanent magnet brushless DC motor-driven bike. MC33035 Typical control functions include open loop PWM speed control so that it can control (start or stop), reversing control and braking control. This chip is overcurrent protection, undervoltage protection, under current protection, and therefore chip cost, high intelligence, which simplifies the system structure, lower system costs, increase system performance to meet the needs of more applications. The design of the brushless DC motor controller is controlled by MC33035 chip to this design results show that, MC33035 typical time delay control with an optional latch-by-week shutdown mode current limiting characteristics, and internal thermal shutdown characteristics. Electric bicycles as a mode of transportation has caused a great impact on society and loved by the majority of users. KEY WORDS: electric-bicycle, brushless DC motor, MC33035, position sensors 图1 第2章 无刷直流电机的驱动原理 2.1 驱动方式的理论分析 一、主要器件MOSFET MOSFET 又称金属-氧化物半导体场效应晶体管，可分为N 型和P 型两种，又被称为 NMOSFET 与PMOSFET 。 如图1所示，一块P 型硅 半导体材料作衬底， 在其面上扩散了两个N 型区，再在上面覆盖一层二氧 化硅(SiO2）绝缘层，最后在N 区上方用腐蚀的方法 做成两个孔，用金属化的方法分别在绝缘层上及两个 孔内做成三个电极：G(栅极）、S （源极）及D （漏极）， 如图所示。在驱动器上用到的MOSFET 是在其上反并 联一个二极管，该二极管通常被称为寄生二极管。由 于添加了二极管的缘故，从而使其没有了反向电压阻 断的能力。一般使用时在栅源极间施加一个-5V 的反向偏执电压，目的是为了保证是器件导通，噪声电压必须阈值门控（栅 极）电压和负偏置电压之和。 MOSFET 的使用方法和三极管的使用方法几乎类似，都是采用小电 流的方式来控制大电流，这在模拟电路中经常用到。如图2所示，在 无刷电机驱动器中使用MOSFET 主要是在MOSFET 的栅源极施加一个寄 生二极管。 二、单相半波逆变器原理 如图3所示是单相半波逆变器的原理图。对其工 作状态分析如下： 第一个工作状态，v1导通，负载电压等于Ud/2,从而 使负载电流与电压同向。 第二个工作状态，v2关短后，负载电流流向vd2，使 得负载上的电压变为-Ud/2。但随着时间的推移会使 负载的电流最终变为0。 第三个工作状态，v2导通，使得负载中出现了负电 压和负电流。 第四个工作状态，v2关断造成vd2正向偏置，得负 载电压变为Ud/2。 如果电压为横坐标u ，电流为竖坐标i 的话，那 么通过上面四个状态就可以是电流和电压在四个象限内轮流工作。因此，采用一定的方法通过控制v1 和v2的导通时间就可以达到控制负载上电流和电压按照一定的频率来轮换着工作。 但是上面的变换有一些缺点。例如，在任何时刻加载在负载上的电压都是全部电压的一半。假如咋某个时刻对于功率额定的器件，电压减半后会使电流变为原来的两倍，同时又欧姆定律可知这时的发热会变为原来的次方倍。这对于器件来说会造成更大的风险。另外电压只能在最大电压的一半，没办法为0V ，那就会是器件造成更大的波纹度。 图2 图3 图2 1.检测霍尔传感器的值可以判断出转子的位置，再使能相应的上下桥臂，则能驱动电机运动；若要让电机持续转动，则必须再次检测传感器值及使能相应的上下桥臂。这里采用的是将霍尔传感器输出的三根线相边的IO口配置成外部中断，并且为边沿触发，在中断函数中加入传感器检测与上下桥臂切换程序，如此电机就能持续运转了。 2.上桥臂的控制采用IO口置高低电平来控制上桥臂的通断，下桥臂则使用单片机内部集成的三路PWM波来控制，通过控制PWM波的占空比，可以实现对电机的调速了。实际测得，占空比与电机的速度成正比例关系，在PWM波频率为20KHz时，占空比增加1%，速度增加60rpm，并在占空比为53%时达到额定转速3000rpm（空载）。 3.速度测量则采用如下公式： 电机每转一圈，霍尔值改变6次x5个周期=30次，记录边沿触发的中断次数N/30=电机转过的圈数,设运转时间为t(s)则电机转速v=N/30/t*60 rpm。即动转时间为2s时，霍尔值改变次数即为速度值，单位rpm。 4.调速：给定速度，由电机驱动板自动由当前速度平滑过渡到给定速度。实际测试发现，速度变化量很大时，电机会有突然加速或减速时的冲击；因此，调速应有一个缓冲的过程。即加速或减速应以小步进缓慢增加或减少占空比来让速度渐渐达到最终值。 #include "stm32f10x.h" #include "driver_motor.h" #define PWM_PERIOD_T 400 #define U_Up_On GPIOB->BSRR = GPIO_Pin_13 #define U_Up_Off GPIOB->BRR = GPIO_Pin_13 #define U_Dn_On GPIOA->BSRR = GPIO_Pin_8 #define U_Dn_Off GPIOA->BRR = GPIO_Pin_8 #define V_Up_On GPIOB->BSRR = GPIO_Pin_14 #define V_Up_Off GPIOB->BRR = GPIO_Pin_14 #define V_Dn_On GPIOA->BSRR = GPIO_Pin_9 #define V_Dn_Off GPIOA->BRR = GPIO_Pin_9 #define W_Up_On GPIOB->BSRR = GPIO_Pin_15 #define W_Up_Off GPIOB->BRR = GPIO_Pin_15 #define W_Dn_On GPIOA->BSRR = GPIO_Pin_10 #define W_Dn_Off GPIOA->BRR = GPIO_Pin_10 #define SU_HOR GPIOA->IDR & GPIO_Pin_15 #define SV_HOR GPIOA->IDR & GPIO_Pin_12 #define SW_HOR GPIOA->IDR & GPIO_Pin_11 //u8 Motor_Dir=0; //u8 Motor_EN=0; 常州工学院 课程设计报告 课题：无刷电机驱动器 班级： 姓名： 学号： 指导老师：王雁平 目录 1 直流无刷无霍尔电机原理 (1) 2 总体设计方案 (3) 3 硬件设计 (4) 3.1 电源模块 (4) 3.2 驱动电路 (5) 4 心得体会 (6) 5 附录 (6) 5.1 元件清单 (6) 5.2 原理图 (7) 5.3 PCB图 (9) 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。 有刷直流马达驱动电路MX612 有刷直流马达驱动电路 MX612 概述 该产品为电池供电的玩具、低压或者电池供电的运动控制应用提供了一种集成的有刷直流马达驱动解决方案。电路内部集成了采用N沟和P沟功率MOSFET设计的H桥驱动电路，适合于驱动有刷直流马达或者驱动步进马达的一个绕组。该电路具备较宽的工作电压范围（从2V到10V），最大持续输出电流达到1.2A，最大峰值输出电流达到2.5A。 该驱动电路内置过热保护电路。通过驱动电路的负载电流远大于电路的最大持续电流时，受封装散热能力限制，电路内部芯片的结温将会迅速升高，一旦超过设定值(典型值150℃)，内部电路将立即关断输出功率管，切断负载电流，避免温度持续升高造成塑料封装冒烟、起火等安全隐患。内置的温度迟滞电路，确保电路恢复到安全温度后，才允许重新对电路进行控制。 特性 ●低待机电流(小于0.1uA)； ●低静态工作电流； ●集成的H桥驱动电路； ●内置防共态导通电路； ●低导通内阻的功率MOSFET管； ●内置带迟滞效应的过热保护电路(TSD)； ●抗静电等级：3KV (HBM)。 典型应用 ● 2-6节AA/AAA干电池供电的玩具马达驱动； ● 2-6节镍-氢/镍-镉充电电池供电的玩具马达驱动； ● 1-2节锂电池供电的马达驱动 引脚排列 引脚定义 功能框图 注：D A JA T A表示电路工作的环境温度，θJA为封装的热阻。150℃表示电路的最高工作结温。 (2)、电路功耗的计算方法: P =I2*R 其中P为电路功耗，I为持续输出电流，R为电路的导通内阻。电路功耗P必须小于最大功耗P D (3)、人体模型，100pF电容通过1.5KΩ 电阻放电。 注：(1)、逻辑控制电源VCC与功率电源VDD内部完全独立，可分别供电。当逻辑控制电源VCC掉电之后，电路将进入待机模式。 (2)、持续输出电流测试条件为：电路贴装在PCB上测试，SOP8封装的测试PCB板尺寸为25mm*15mm。 无刷直流电机控制系统 的设计 Pleasure Group Office【T985AB-B866SYT-B182C-BS682T-STT18】 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]。 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。 技术部 直流无刷电机及驱动器介绍 ---培训讲义 编制/整理：徐兴强 日期：2010-5-5 一、产品技术特点 1）既具有AC电机的优点：结构简单，运行可靠，维护方便等； 2）又具有DC电机的优点：调速性能好，运行效率高，无励磁损耗等； 3）同时，与DC有刷电机比较：无接触磨损，无火花，低噪音，无辐射干扰等；4）再有，与伺服电机比较：控制/驱动原理较简单，可灵活多变，且成本较低；有较高的成套性价比，实用性很强。 主要缺陷：低速启动时，有轻微震动；但不会失步（比较于步进电机）。 二、主要应用方面 1）在精密电子设备和器械中的应用 如：电脑硬盘的主轴驱动，激光打印机，复印机，医疗器械，卫星太阳能帆板驱动，医疗监控设备等。 2）在家用电器中的应用 如：空调器、洗衣机、电热器、吸尘器、电风扇、搅拌机等。 3）在电瓶车/牵引机中的应用 4）在工业系统中的应用 如：工业缝纫机、纺织印花机、等等； 5）在军事工业和航空航天中的应用 三、特殊功能与性能分析 # 典型特性曲线，如下： ##由以上特性曲线可知： 1）电机的最大转矩为启动和堵转时的转矩； 2）在同一转速下，改变供电电压，可以改变电机的输出转矩； 3）在相同转矩时，改变供电电压，可以改变电机的转速。 即：在驱动电路中，通过PWM方式改变供电电压的平均值，在保证转矩不变的情况下，可以实现对电机的平稳调速。 ###BLDC与AC交流感应式电机相比，具有如下优点： 1）转子采用永磁体，无需激励电流。故，同样的电功率，可以获得更大的机械功率； 2）转子无铜损，无铁损，发热更小； 3）启动、堵转时力矩大，更适合于阀门打开、关闭瞬间需要力矩大的场合； 4）电机的输出力矩与工作电压、电流成正比，从而可以简化力矩的检测电路，并更加可靠； 5）利用PWM调制方式改变供电电压的平均值，可以实现平稳调速，使调速、驱动功率电路更加简单，综合成本降低； 直流无刷电机的工作原理 直流无刷电机的优越性 直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，但直流电机的优点也正是它的缺点，因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩的性能，则电 枢磁场与转子磁场须恒维持90°，这就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在电机转动时会 产生火花、碳粉因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。交流电机没有碳刷及 整流子，免维护、坚固、应用广，但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技 术才能达到。现今半导体发展迅速功率组件切换频率加快许多，提升驱动电机的性能。微处 理机速度亦越来越快，可实现将交流电机控制置于一旋转的两轴直交坐标系统中，适当控制 交流电机在两轴电流分量，达到类似直流电机控制并有与直流电机相当的性能。 此外已有很多微处理机将控制电机必需的功能做在芯片中，而且体积越来越小；像模拟/数字转换器(Analog-to-digital converter，ADC)、脉冲宽度调制(pulse wide modulator，PWM)…等。直流无刷电机即是以电子方式控制交流电机换相，得到类似直流电机特性又没有直流电机机构上缺失的一种应用。 直流无刷电机的控制结构 直流无刷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。直 流无刷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。也就是说直流无刷电 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。 直流无刷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。 直流电机驱动课程设计 题目：MOS I电机驱动设计 Word专业资料 摘要 直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速围广，过载能力大， 能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；能满足生产过程 中自动化系统各种不同的特殊运行要 求。 本文介绍了直流电机驱动控制装置（H 桥驱动）的设计与制作，系统采用分立 元件搭建H 桥驱动电路，PWM 调速信号由单片机提供，信号与H 桥驱动电路之间采用光电耦合器隔离，电机的驱动运转控制由PLC 可编程逻辑控制器实现。 关键词：直流电动机，H 桥驱动，PWM 目录 一、直流电机概述 (4) 二、直流电机驱动控制 (6) 三、直流电机驱动硬件设计 (8) 四、直流电机驱动软件设计 (9) 五、程序代码..................................................... 1..2 六、参考文献..................................................... 1..8 一、概述 19 世纪70 年代前后相继诞生了直流电动机和交流电动机，从此人类社会进入了以电动机为动力设备的时代。以电动机作为动力机械，为人类社会的发展和进步、工业生产的现代化起到了巨大的推动作用。在用电系统中，电动机作为主要的动力设备而广泛地应用于工农业生产、国防、科技及社会生活等各个方面。电动机负荷约占总发电量的70 ％，成为用电量最多的电气设备。对电动机的控制可分为简单控制和复杂控制两种。简单控制对电动机进行启动、制动、正反转控制和顺序控制。这类控制可通过继电器、可编程控制器和开关元件 无刷直流电机控制器的设计 3.1 无刷直流电机控制器的概述 无刷直流电动机兼有直流电动机调整和起动性能好以及异步电动机结构简 单无需维护的优点，因而在高可靠性的电机调速领域中获得了广泛应用。在电机转速控制方面，绝大多数场合数字调速系统已取代模拟调速系统。目前，数字调速系统主要采用两种控制方案:一种采用专用集成电路。这种方案可以降低设备投资，提高装置的可靠性，但不够灵活。另一种是以微处理器为控制核心构成硬件系统。这种方案可以编程控制，应用范围广，且灵活方便。 电机控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，它主要完成以下功能：对各种信号进行逻辑综合，以给驱动电路提供各种控制信号；产生PWM调制信号，实现电机的调速；对电机进行速度环和电流环调节，使系统具有较好的动态和静态性能；实现短路、过流、欠压、堵转等故障保护功能。 现代控制技术的发展与微处理器的发展息息相关，可以说，每一次微处理器的进步都推动了控制技术的一次飞跃。在微处理器出现之前，控制器只能由模拟系统构成。由模拟器件构成的控制器只能实现简单的控制，功能单一、升级换代困难，而且由分立器件构成的系统控制精度不高，温度漂移，器件老化严重，使得维护成本增高，限制了它的发展和应用范围。随着微处理器的迅速发展和推广，控制器由模拟式转换成了数模混合式，并进一步发展到全数字式，技术的进步使得许多模拟器件难以实现的功能都可以方便地用软件实现，使系统的可靠性和智能化水平大大提高。在电机转速控制方面，绝大多数场合数字调速系统已取代模拟调速系统。目前，数字调速系统主要采用两种控制方案：一种采用专用集成电路。这种方案可以降低设备投资，提高装置的可靠性，但不够灵活。另一种是以微处理器为控制核心构成硬件系统。这种方案可以编程控制，应用范围广，且灵活方便[9][10]。 控制器是电动自行车的驱动系统，它是电动自行车的大脑。其主要作用是在保证电动自行车正常工作的前提下，提高电机和蓄电池的效率、节省能源、保护 无刷驱动器DBLS-02 一概述： 本控制驱动器为闭环速度型控制器，采用最近型IGBT和MOS功率器，利用直流无刷电机的霍尔信号进行倍频后进行闭环速度控制，控制环节设有PID速度调节器，系统控制稳定可靠，尤其是在低速下总能达到最大转矩，速度控制范围150~10000rpm。 二产品特征: 1、PID速度、电流双环调节器 2、高性能低价格 3、20KHZ斩波频率 4、电气刹车功能，使电机反应迅速 5、过载倍数大于2，在低速下转矩总能达到最大 6、具有过压、欠压、过流、过温、霍尔信号非法等故障报警功能 三电气指标 标准输入电压：24VDC~48VDC，最大电压不超过60VDC。最大输入过载保护电流：15A、30A两款连续输出电流：15A 加速时间常数出厂值：秒其他可定制 四端子接口说明: 1、电源输入端: 引角序号引角名中文定义 1V+直流+24~48VDC输入 2GND GND输入 引角序号引角名中文定义 1MA电机A相 2MB电机B相 3MC电机C相 4GND地线 5HA霍尔信号A相输入端 6HB霍尔信号B相输入端 7HC霍尔信号C相输入端 8+5V霍尔信号的电源线 G ND：信号地F/R：正、反转控制，接GND反转，不接正转，正反转切换时，应先关断EN E N：使能控制：EN接地，电机转（联机状态），EN不接，电机不转（脱机状态）B K：刹车控制：当不接地正常工作，当接地时，电机电气刹车，当负载惯量较大时，应采用脉宽信号方式，通过调整脉宽幅值来控制刹车效果。S V ADJ：外部速度衰减：可以衰减从0~100%，当外部速度指令接时，通过该电位器可以调速试机P G：电机速度脉冲输出：当极对数为P时，每转输出6P个脉冲（OC门输入）A LM：报警输出：当电路处于报警状态时，输出低电平（OC门输出）+5V：调速电压输出，可用电位器在SV和GND形成连续可调内置电位器：调节电机速度增益,可以从0~100%范围内调速。 五驱动器与无刷电机接线图 六机械安装： 2.4 无刷直流电动机驱动控制程序 //########################################################################## ###/// //无刷电机控制源程序 //TMS320F2812 // //########################################################################## ### //===================================================================== //头文件调用 //===================================================================== #include "DSP28_Device.h" #include "math.h" #include "float.h" //===================================================================== //常量附值 //===================================================================== #define Idc_max 3000 //电流给定最大值 #define Idc_min 0 //电流给定最小值 //===================================================================== //标志位 //===================================================================== char Iab_Data=0; struct Flag_Bits { // bits description无刷直流电机的驱动及控制
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