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直流无刷电机及其驱动技术


PMSM定子绕组产生正弦型的反电势
BLDC的定子绕组产生的反电势是梯形波
附:电角度和机械角度

机械角度是指电机转子的旋转角度,由Θm表示; 电角度是指磁场的旋转角度,由Θe表示。 当转子为一对极时,Θm=Θe; 当转子为n对极时,Θe=nΘm。
2. 工作原理
1)旋转磁场的产生
假定电机定子为3相6极,星型连接。转子为一对极。
1.A+B-
2.C+B- 3.C+A-
4.B+A- 5. B+C-
6.A+C-
6步通电顺序
A
FA+C-
A
FA+B-
4
1
a 3
COM
FA+
6
FB-
FB+C-
FC-
FB-C+
FC+ FA-
FB+
c b B 2 5 C
B
FA-B+ FA-C+
C


1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C每步磁场旋转60度,每6步旋转磁场旋转一周; 每步仅一个绕组被换相。


开关型霍尔传感器


霍尔元件+信号处理电路=霍尔传感器 利用霍尔效应,当施加的磁场达到“动作点”时, OC门输出低电压,称这种状态为“开”; 当施加磁场达到“释放点” 使OC门输出高电压, 称其为“关”
基于这个原理,可制成接近开关。



如果将一只霍尔传感器安装在靠近转子的位置,当N极逐渐靠近 霍尔传感器即磁感应强度达到一定值时,其输出是导通状态; 当N极逐渐离开霍尔传感器、磁感应强度逐渐减小时,其输出仍 然保持导通状态;只有磁场转变为S极并达到一定值时,其输出 才翻转为截止状态。 在S-N交替变化磁场下,传感器输出波形占高、低电平各占50%。 如果转子是一对极,则电机旋转一周霍尔传感器输出一个周期的 电压波形,如果转子是两对极,则输出两个周期的电压波形。
3.3 无刷直流电动机
(Brushless Direct Current
Motor ,BLDC)
1、无刷直流电动机结构 2、无刷直流电动机工作原理 3、无刷直流电动机电机特性 4、PWM控制技术
1. 结构

由定子、转子、位置传感器及换相电路组成 定子采用叠片结构并在槽内铺设绕组的方式 定子绕组多采用三相并以星形方式连接
2)如何实现换相?

1.A+B-
2.C+B- 3.C+A-
4.B+A- 5. B+C-
6.A+C-
必须换相才能实现磁场的旋转,如果根据转子磁极的 位置换相,并在换相时满足定子磁势和转子磁势相互 垂直的条件,就能取得最大转矩。 要想根据转子磁极的位置换相,换相时就必须知道转 子的位置,但并不需要连续的位置信息,只要知道换 相点的位置即可。 在BLDC中,一般采用3个开关型霍尔传感器测量转子 的位置。由其输出的3位二进制编码去控制逆变器中6 个功率管的导通实现换相。


直流无刷电机中一般安装3个霍尔传感器,间隔120度或60 度按圆周分布。 如果间隔120度,则3个霍尔传感器的输出波形相差120度 电角度; 输出信号中高、低电平各占180度电角度。 如果规定输出信号高电平为“1”,低电平为“0”,则输 出的三个信号可用3位二进制编码表示。
பைடு நூலகம்
100 000 001 011 111 110 100 000 001 011 111 110

将永磁体贴装在非导磁材料表面或镶嵌在其内构成。 大部分BLDC采用表面安装方式。 多为2到3对极的。 磁性材料多采用具有高磁通密度的稀土材料,如銣 铁硼等


结构上BLDC与PMSM有些相似,但有两点不同:
BLDC的转子磁极经专门的磁路设计,可获得梯形波的气 隙磁场。而 PMSM的气隙磁场是正弦波的。 BLDC的定子绕组结构使之产生的反电势是梯形波的。而 PMSM绕组结构产生正弦型的反电势。
1.A+B- 2.A+C- 3. B+C- 4. B+A- 5.C+ A- 6 .C+B 每相绕组中电流是正负交替的 由逆变器提供与电动势严格同相的方波电流
3
2
4
电流流进
电流流出
1
5
6

直流有刷电机绕组中的电流实际上也是正负交替 的 ,只是从电刷外部看电流是单方向的。 直流有刷电机通过换向机构换向,直流无刷电机 通过霍尔开关及逆变器换相。

3)如何实现力矩的控制?


按照电机统一规律,必须保证θs-θr为90度,才能取得最大转矩。 因旋转磁场是60度增量,看来无法实现这个关系。 但通过适当的安排可实现平均90度的关系。 如果每一步都使离转子磁极120度的定子磁势所对应的绕组导通, 并且当转子转过60度后换相,如此重复每一步,则可使定子磁势 与转子磁势相差60-120度,平均90度。
每一个定子绕组回路与DC电机 电枢回路是类似的。 但其电压和电流都是在每半个电 周期中仅导通120度。 电机制作时保证其绕组内反电势 为梯形波,但平顶部分与电压和 电流同时出现,其极性也与电压 和电流一致。 从功率平衡的角度考虑
如果间隔60度,则输出波形相差60度电角度。 间隔120度与60度的二进制编码是不同的。
例:假定定子绕组为3相,转子为2对极,3个霍尔传感器间 隔 60度按圆周分布,由6只晶体管组成的桥式电路给电机供 电,分析其换相过程。 1.A+C- 2.A+B- 3.C+ B- 4.C+A- 5.B+A- 6. B+C从霍尔传感器输出 的二进制编码控制 6个功率管的导通, 可由逻辑电路实现, 也可由软件编程实 现。
A
a
COM
c b B C
A
N i
S S
a
N
图6-4
S i
B
COM
N
c b C

电流方向不同时,产生的磁场方向不同。 若绕组的绕线方向一致,当电流从A相绕组流进, 从B相绕组流出时,电流在两个绕组中产生的磁动 势方向是不同的。
6步通电顺序
A
4
1
a 3
COM
6
c b B 2 5 C


三相绕组通电遵循如下规则: 每步三个绕组中一个绕组流入电流,一个绕组流出电流,一个 绕组不导通; 通电顺序如下:
6步通电顺序
FA+C-
A
FA+B-
FA+ FB-
FB+C-
FC-
FB-C+
FC+ FA-
FB+
B
FA-B+

C
FA-C+
随着磁场的旋转,吸引转子磁极随之旋转。 磁场顺时针旋转,电机顺时针旋转:1→2→3→4→5→6 磁场逆时针旋转,电机顺时针旋转:6→5→4→3→2→1 1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C-
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