无刷直流电动机控制
第5章无刷直流电动机控制系统
图5-4 霍尔传感器的三相波形（120度）
三、三相直流无刷电动机的换相原理
图5-4表明，三相永磁无刷直流电 动机转子位置传感器输出信号Ha、 Hb、Hc在每360°电角度内给出了6 个代码，按其顺序排列，6个代码 是101、100、110、010、011、001。 当然，这一顺序与电动机的转动方 向有关，如果转向反了，代码出现 的顺序也将倒过来。 图5-5是三相永磁无刷直流电动机 的电子换向器主回路，也就是由6 只功率开关元件组成的三相H转子是由永磁材料制成的，是具有一定磁极对数的永磁体。 无刷直流电动机为了去掉电刷，将电枢放到定子上去，但是这样定 子上的电枢通过直流电后，只能产生恒定的磁场，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90°左右的空间角，产生转矩推动转子旋转。
B
Z
2 3 1 A 4 6
X
5
C
Y
图5-6 三相永磁无刷直流电动机 绕组结构图
可以通过两种不同的途径来分析无刷电动机的换相过程：
Ø 第一条途径是：利用“定子空间的扇区图” 来分析换相过程（6个扇 区对应6个代码） （p148）， ； Ø 第二条途径是：通过分析电动机的三相反电动势来理解换相过程。
运用“定子空间扇区图”可以分析三相无刷直流电动机在360º 电角度内的换 相过程，从分析可以看出，定子的磁场是步进地、跨越地前进的，每步跨越60º 电角度，而转子当然是连续地运行的。 从分析三相无刷直流电动机的三相反电势的角度，同样也可以理解其换相 过程。基本思路是这样的：为了获得最大的转矩，应当使每相的反电势与该相的 电流的相位相同。 无论是从“定子空间扇区图”还是从电动机定子绕组的反电势来分析三相 无刷电动机的换相过程，所得出的开关管的导通和关断状态与转子位置的关系都 是相同的。
永磁无刷直流电动机的控制技术
电动 机 的优点 ，而且 又具 有交 流 能好 、可靠 性高 等优 点 ，在 国外 流 电动机 的可 控性 和线 性机 械特 电 动 机 的 结 构 简 单 、运 行 可 靠 、 已成 功应用 于对 系统 效 率 、可 靠 性 等。 因此 ，人 们一 直在 探 索一 维护 方便 等优 点 ，因此在 各个 领 性 有 特殊要 求 的推 进领 域 中。在 种新 型 的直 流 电动机 ，即不 用 电
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旧式 的直 流 电动 机具 有 的优 机 不仅保 留 了直流 电动机 的优点 ，
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永磁无刷直流电动机的控制技术
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供稿 ｌ 陈刚，林贵端／ Ｈ Ｎ Ｇ ｎ ， １ Ｇ ｉ ｕｎ Ｃ Ｅ ａｇ ＬＮ ｕ－ ａ ｄ
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在 ２ 世纪 ８ ０ ０年代 由于新 材
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作者单位 ：江西工业 工程职业技术学 院，江西 萍乡 ３ ７ ０ ３００
直流无刷电动机工作原理与控制方法
For personal use only in study and research; not for commercial use直流无刷电动机工作原理与控制方法序言由于直流无刷电动机既具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点，故在当今国民经济各领域应用日益普及。
一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活中。
其主要类型有同步电动机、异步电动机和直流电动机三种。
由于传统的直流电动机均采用电刷以机械方法进行换向，因而存在相对的机械摩擦，由此带来了噪声、火化、无线电干扰以及寿命短等弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而大大限制了它的应用范围，致使目前工农业生产上大多数均采用三相异步电动机。
针对上述传统直流电动机的弊病，早在上世纪30年代就有人开始研制以电子换向代替电刷机械换向的直流无刷电动机。
经过了几十年的努力，直至上世纪60年代初终于实现了这一愿望。
上世纪70年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多高性能半导体功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT、IPM等相继出现，以及高性能永磁材料的问世，均为直流无刷电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。
三相直流无刷电动机的基本组成直流无刷永磁电动机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。
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1所示为三相两极直流无刷电机结构，图1 三相两极直流无刷电机组成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联结，A、B、C相绕组分别与功率开关管V1、V2、V3相接。
位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相联结。
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，从而使定子各项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。
无刷直流方波电动机的双闭环控制
无刷直流方波电动机的双闭环控制永磁无刷直流电动机在机械和电力系统方面是一种很引人注目的电动机。
这种机器结构的简单和它的控制特性类似于交流电机，它在商业，军事等其他领域的应用里是非常受欢迎的选择。
在普遍的无刷直流电动机的计划里，时间和空间的分布是按照磁力线的密度来考虑的，但是驱动环节的曲线是相差120度的。
巨大而细微的转矩是度量无刷电动机效率和低速执行的重要准则，它的直接效果就是在大转矩和细微转矩之间造成一种干扰。
一种引人注目的电动机的配置被人认为是方波电动机。
方波电动机来自于它的方波控制，主要在它的方波时空的磁通干扰中产生控制指令。
因此方波永磁电动机有很让人羡慕的前景，特别在机器人和商业服务中得到广泛重视。
这都是在方波永磁电动机产生的时候所不曾想过的。
2. 方波永磁电动机驱动系统方波永磁电动机驱动系统由三个部分组成：转换器，逻辑控制环节（包括速度调节器，时间调节器，和能量逻辑转换控制单元），详述如下下面是硬件执行器和操作的细节2.1 方波永磁电动机带有双结构方波永磁电动机是由六个小结构组成的。
电机额定电流和机械数据是：200v额定电压，18A的额定电流，3.0k的额定功率，1500转每秒的额定转速，0.0388千克没平方厘米。
2.2 IGBT 变换器一个变换器对频率/电压的三个阶段的组成适应IGBT 变换器的选择是非常重要的，其结果是他们中和了各种高介的性能。
变换器被六个IGBT支配着，没个包括60A的IGBT和一个反馈信号。
2.3 能量转换控制逻辑位置反馈信号被用于同时发生的相位变化的检测。
为了这样做，三个位置反馈信号，来源于PT，他们是在PSP环节被加工的，他们也受六个控制逻辑信号的控制来开/关IGBT、在IGBT变换器里。
在BLDCM的控制分布里有两个IGBT 工作在PWM的模式里，并且两个IGBT应该依靠于这样的逻辑控制信号。
虽然直流能量的频率被变换器的供给，依据这样的关系为IGBT提供信号的PWM信号是来源于三角波和触发控制信号Ui越大，U也就越大，所以BLDCM的速度也就越大。
最全直流电机工作原理与控制电路解析(无刷+有刷+伺服+步进)
最全直流电机工作原理与控制电路解析（无刷+有刷+伺服+步进）直流电动机是连续的执行器，可将电能转换为（机械）能。
直流电动机通过产生连续的角旋转来实现此目的，该角旋转可用于旋转泵，风扇，压缩机，车轮等。
与传统的旋转直流电动机一样，也可以使用线性电动机，它们能够产生连续的衬套运动。
基本上有三种类型的常规电动机可用：AC 型电动机，（DC）型电动机和步进电动机。
典型的小型直流电动机交流电动机通常用于高功率的单相或多相（工业）应用中，需要恒定的旋转扭矩和速度来控制大负载，例如风扇或泵。
在本（教程）中，我们仅介绍简单的轻型直流电动机和步进电动机，这些电动机用于许多不同类型的（电子），位置控制，微处理器，（PI）C和（机器人）类型的电路中。
基本直流电动机该直流电动机或直流电动机，以给它的完整的标题，是用于产生连续运动和旋转，其速度可以容易地控制，从而使它们适合于应用中使用是速度控制，伺服控制类型的最常用的致动器，和/或需要定位。
直流电动机由两部分组成，“定子”是固定部分，而“转子”是旋转部分。
结果是基本上可以使用三种类型的直流电动机。
有刷（电机）–这种类型的电机通过使（电流）流经换向器和碳刷组件而在绕线转子(旋转的零件)中产生磁场，因此称为“有刷”。
定子(静止部分)的磁场是通过使用绕制的定子励磁绕组或永磁体产生的。
通常，有刷直流电动机便宜，体积小且易于控制。
无刷电动机–这种电动机通过使用附着在其上的永磁体在转子中产生磁场，并通过电子方式实现换向。
它们通常比常规的有刷型直流电动机更小，但价格更高，因为它们在定子中使用“霍尔效应”开关来产生所需的定子磁场旋转顺序，但是它们具有更好的转矩/速度特性，效率更高且使用寿命更长比同等拉丝类型。
伺服电动机–这种电动机基本上是一种有刷直流电动机，带有某种形式的位置反馈控制连接到转子轴。
它们连接到PWM型控制器并由其控制，主要用于位置（控制系统）和无线电控制模型。
普通的直流电动机具有几乎线性的特性，其旋转速度取决于所施加的直流电压，输出转矩则取决于流经电动机绕组的电流。
直流无刷电动机工作原理及控制方法
由於直流無刷電動機既具有交流電動機の結構簡單、運行可靠、維護方便等一系列優點，又具備直流電動機の運行效率高、無勵磁損耗以及調速性能好等諸多優點，故在當今國民經濟各領域應用日益普及。
一個多世紀以來，電動機作為機電能量轉換裝置，其應用範圍已遍及國民經濟の各個領域以及人們の日常生活中。
其主要類型有同步電動機、異步電動機和直流電動機三種。
由於傳統の直流電動機均采用電刷以機械方法進行換向，因而存在相對の機械摩擦，由此帶來了噪聲、火化、無線電幹擾以及壽命短等弱點，再加上制造成本高及維修困難等缺點，從而大大限制了它の應用範圍，致使目前工農業生產上大多數均采用三相異步電動機。
針對上述傳統直流電動機の弊病，早在上世紀30年代就有人開始研制以電子換向代替電刷機械換向の直流無刷電動機。
經過了幾十年の努力，直至上世紀60年代初終於實現了這一願望。
上世紀70年代以來，隨著電力電子工業の飛速發展，許多高性能半導體功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT、IPM等相繼出現，以及高性能永磁材料の問世，均為直流無刷電動機の廣泛應用奠定了堅實の基礎。
三相直流無刷電動機の基本組成直流無刷永磁電動機主要由電動機本體、位置傳感器和電子開關線路三部分組成。
其定子繞組一般制成多相（三相、四相、五相不等），轉子由永久磁鋼按一定極對數（2p=2,4,…）組成。
圖1所示為三相兩極直流無刷電機結構，圖1 三相兩極直流無刷電機組成三相定子繞組分別與電子開關線路中相應の功率開關器件聯結，A、B、C相繞組分別與功率開關管V1、V2、V3相接。
位置傳感器の跟蹤轉子與電動機轉軸相聯結。
當定子繞組の某一相通電時，該電流與轉子永久磁鋼の磁極所產生の磁場相互作用而產生轉矩，驅動轉子旋轉，再由位置傳感器將轉子磁鋼位置變換成電信號，去控制電子開關線路，從而使定子各項繞組按一定次序導通，定子相電流隨轉子位置の變化而按一定の次序換相。
由於電子開關線路の導通次序是與轉子轉角同步の，因而起到了機械換向器の換向作用。
无刷直流电动机控制系统
设计内容与设计要求一.设计内容：1. 介绍无刷直流电动机（BLDCM）的工作原理、调速系统的组成及功能。
2. 分析功率控制器的主电路拓扑形式。
3. 给出三相无刷直流电动机控制系统的框图。
4. 电流调节器的设计。
二、设计要求：1、思路清晰，给出整体设计和电路图。
2、给出具体设计思路和电路。
3、写出设计报告。
主要设计条件1.提供被控电机；2.提供设计要求；3.提供调试用实验室；说明书格式1．课程设计封面；2．任务书；3．说明书目录；4．正文5．总结与体会；6. 参考文献7. 课程设计成绩评分表进度安排1: 课题内容介绍和查找资料；2: 总体电路设计和分电路设计；3: 写设计报告，打印相关图纸；4: 答辩；参考文献1、《电机控制》2、《电力电子技术》3、《特种电机及其控制》4、《电机的DSP控制技术及其应用》5、《电机拖动与控制》6、《特种交流电机及其计算机控制与仿真》3目录简介 (6)第一章直流无刷电机的工作原理 (7)1.基本工作原理 (7)2.无刷直流电动机的组成 (10)第二章无刷直流电机的控制 (11)1.无刷直流电机的控制原理 (11)2.转子的控制 (13)3.速度的控制 (14)第三章电机的反馈 (15)1.电流测量 (15)2. RPM转速测量 (15)第四章硬件设计 (16)1. LPC2141的使用方法 (16)小结 (17)电气与信息工程系课程设计评分表 (18)简介直流无刷电机:又称“无换向器电机交一直一交系统”或“直交系统”。
是将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。
无刷直流电动机Brushless Direct Current Motor ,BLDC,采用方波自控式永磁同步电机,以霍尔传感器取代碳刷换向器,以钕铁硼作为转子的永磁材料;产品性能超越传统直流电机的所有优点,同时又解决了直流电机碳刷滑环的缺点,数字式控制,是当今最理想的调速电机。
直流无刷电机控制原理
二直流无刷电机工作原理及换向初始化直流无刷电机在结构上与三相永磁同步电动机相同，但控制原理却与直流有刷电动机相同。
直流有刷电机通过有刷换向使每个磁极下电枢导体的电流方向保持不变，从而产生能使电机连续旋转的转矩；直流无刷电机是通过电子换向使转子每个磁极下定子绕组导体电流的方向保持不变而产生能使电机连续旋转的转矩。
由于采用电子无刷换向代替直流有刷电机的有刷换向，所以交流永磁同步伺服电机又称直流无刷伺服电机。
直流有刷电动机必须正确调整换向电刷的机械位置才能使电机工作正常。
同样，直流无刷电机加电时必须建立正确的初始换向角，才能使直流无刷电机正常工作。
确定初始换向角的过程称为无刷换向的初始化过程。
为了了解换向初始化过程，必须先了解直流无刷电机的控制原理。
1. 直流无刷电机的控制原理1.1 直流有刷电机的工作原理直流有刷电机由定子（产生主磁场）、转子（电枢）和换向装置（换向片和电刷）组成。
直流有刷电机通过有刷换向使主磁极下的电枢导体的电流方向保持不变，从而使产生转矩的方向不变，使电动机的转子能连续旋转。
为了使直流有刷电动机在电枢绕组流过电流时能产生最大转矩，必须正确调整有刷换向装置中电刷的位置。
下面进行较为详细的讨论。
（1）有刷换向装置的作用有刷换向装置由电刷和换向片组成。
直流有刷电机的电枢绕组为环形绕组，主磁极下的每个电枢导体连接到换向片上。
换向片为彼此绝缘，均匀分布在换向器圆周上的金属片组成。
电刷与换向片滑动接触。
电枢电流通过电刷和连接电枢导体的换向片引入电枢绕组。
电枢旋转时，电刷和换向片就象一个活动接头一样始终与主磁极下的导体连接，使主磁极下电枢导体的电流方向不变，产生使电枢连续旋转的转矩。
（2）产生最大转矩的条件产生最大转矩的条件是：一个磁极下的所有电枢导体的电流方向一致。
或者说，电枢导体产生的合成磁场与主磁场垂直。
（3）直流有刷电机的运行直流有刷电机的运行可用四个基本方程式来描述：①转矩平衡方程式：电流I M流过电枢绕组，载流导体在磁场中受力（受力方向用左手法则判断），产生能使电枢连续旋转的转矩T M。
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8）体积弹性大:实际比异步电机尺寸小,可以做成各种形状； 9）可设计成外转子电机(定子旋转)； 10）转速弹性大； 11）制动特性良好,可以选用四象限运转； 12）可设计成全密闭型,ip-54,ip-65,防爆型等均可； 13）允许高频度快速激活,电机不发烫； 14）通用型产品安装尺寸与一般异步电机相同,易于技术改造。
【引例】 无刷直流电动机在中小功率传动场合应用日益普及，如图7.1 衣车无刷节能电机系统
7.1无刷直流电机的发展及分类
7.1.1 无刷直流电机的发展历史 1831年，法拉第发现了电磁感应现象，奠定了现代电机的
基本理论基础。从19世纪40年代研制成功第一台直流电机。 1955年，美国人Harrison首次提出了用晶体管换相线路代 替电机电刷接触的思想，这就是无刷直流电机的雏形。 1962年试制成功了借助霍尔元件(霍尔效应转子位置传感器) 来实现换相的无刷直流电机。
图7.4 直流无刷电动机的组成框图
7.2.2 基本工作原理
用图7.2 的三相直流无刷电动机半控桥电路原理图说明。此处采用光 电器件作为位置传感器，以3个功率晶体管Vl 、V2 、V3 构成功率逻辑 单元。3个光电器件VP1 、VP2 、VP3 的安装位置各相差120。 ，均匀分 布在电动机一端。 假定此时光电器件VP1 被照射，从而使功率晶体管V1呈导通状态，电 流流入绕组A-A，，该绕组电流同转子磁极作用后所产生的转矩使转子 的磁极按照顺时针方向转动。当转子极转过120。以后，直接装在转子 轴上的旋转遮光板也跟着同时转动，并遮住VP1 而使VP2 受光照射，从 而使晶体管V1 截止，晶体管V2导通，电流从绕组A-A，断开而流入绕组 B-B，，使得转子磁极继续朝着箭头方向转动，并带动遮光板同时朝顺 时针方向旋转。当转子磁机再次转过120。以后，此时旋转遮光板已经 遮住VP2而使VP3 受光照射，从而使晶体管V2截止，晶体管V3 导通，电 流流入绕组C-C， ，于是驱动转子磁极继续朝着顺时针方向旋转过120。 以后，重新开始下次的360。旋转。
7.1.2 无刷直流电机分类
无刷直流电机按照工作特性，可以分为两大类： 1．具有直流电机特性的无刷直流电机 反电动势波形和供电电流波形都是矩形波的电机，称为
矩形波同步电机，又称无刷直流电机。这类电机由直流电 源供电，借助位置传感器来检测主转子的位置，由所检测 出的信号去触发相应的电子换相线路以实现无接触式换相。 显然,这种无刷直流电机具有有刷直流电机的各种运行特性。 2．具有交流电机特性的无刷直流电机
20世纪70年代初期，又试制成功了借助比霍尔元件的灵敏 度高千倍左右的磁敏二极管实现换相的无刷直流电机。 1968年，德国人W.Mieslinger提出采用电容移相实现换相 的新方法。在此基础上，德国人R-Hanitsch试制成功借助 数字式环形分配器和过零鉴别器的组合来实现换相的无位 置传感器无刷直流电机。
反电动势波形和供电电流波形都是正弦波的电机，称为 正弦波同步电机。这类电机也由直流电源供电，但通过逆 变器将直流电变换成交流电，然后去驱动一般的同步电机。 因此，它们具有同步电机的各种运行特性。
7.1.3 无刷直流电动机特点
1）容量范围大:可达400kw以上； 2）电压种类多:直流供电,交流高低电压均不受限制； 3）低频转矩大:低速可以达到理论转矩输出,激活转矩可以 达到两倍或更高； 4）高精度运转:最高不超过1 rpm.(不受电压变动或负载变 动影响)； 5）高效率:所有调速装置中效率最高,比传统直流电机高出 5~30%； 6）调速范围:简易型/通用型(1:10),高精度型(1:100),伺服型； 7）过载容量高:负载转矩变动在200%以内输出转速不变；
第7章 无刷直流电动机及其控制
该系统采用霍尔无触点传感,成熟的可控硅控制、电子刹车技术，点针， 刹车精确，操作轻松灵活，具有通风、散热、降温的功能。该产品设计通 过数控调速系统驱动无刷电机直接拖动缝制设备，实现了驱动控制、制动 控制、控制反馈数字化控制多种功能；使员工在使用过程中调速方便、灵 敏，操作舒适，性能更加稳定。该电机的投放，是替代传统离合器电机的 有效产品。
7.2无刷直流电机的基本组成和工作原理
7.2.1 基本组成环节
直流无刷电动机主要由电动机本体、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 子绕组一般为多相，转子由永磁材料按一定极对数（2p = 2 , 4 ，… ）组成。A 相、B 相、C 相绕组分别与功率开关管V1、V2、 V3相连，位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相连接。
图7.2直流无刷电动机的结构原理
当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子磁极所产生的磁 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 电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线路、 永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成的“电动机系统”。
7.3 无刷直流电动机的原理框图
原理框图如图7.3所示。构成直流无刷电动机转子的永久磁钢与永磁有 刷电动机中所使用的永久磁钢的作用相似，都是在电动机的气隙中建立足 够的磁场。其不同之处在于，直流无刷电动机中永久磁钢装在转子上，而 直流有刷电动机的磁钢则装在定子上。
直流无刷电动机的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位置传感器信号处 理单元两个部分组成。功率逻辑开关单元是控制电路的核心，其功 能是将电源的功率以一定的逻辑分配关系分配给直流无刷电动机定 子上的各相绕组，以便使电动机产生持续不断的转矩。各相绕组导 通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号。但位置传感器 所产生的信号一般不能直接用来控制功率逻辑开关单元，往往需要 经过一定逻辑处理后才能去控制逻辑开关单元。综上所述，组成无 刷电动机各主要部件的框图，如图7.4所示。