直流无刷电机及其驱动技术

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
编辑ppt
2
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
编辑ppt
3
将永磁体贴装在非导磁材料表面或镶嵌在其内构成。
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。
编辑ppt
15
100 000 001 011 111 110 100 000 001 011 111 110
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。
编辑ppt
16
COM
FB+ຫໍສະໝຸດ Baidu
c
b
B
2
5
B
C
FA-B+
FA+ FB-
FC+
FB-C+
FA-
C
FA-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。
编辑ppt
10
6步通电顺序
FA+C-
A
FA+B-
FB+C-
4
1a
6 3
COM
c
b
B
2
C
5
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：
1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C-
编辑ppt
9
6步通电顺序
A
A
FA+C-
FA+B-
4
1a
6
3
FB+C-
FC-
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
编辑ppt
4
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。
PMSM的问题
控制比直流伺服电机要复杂的多；
要想实现力矩控制，必须有角位置传感器，以测 量d-q坐标系的旋转角；
反电势必须是正弦波的，这对电机制造及工艺提 出了较高的要求。
L
R
ua
ia
e
反电势必须是正弦波的才能产生正弦电流
编辑ppt
1
3.3 无刷直流电动机
（Brushless Direct Current
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。
编辑ppt
14
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。
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
编辑ppt
5
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。
编辑ppt
6
2. 工作原理
1）旋转磁场的产生
基于这个原理，可制成接近开关。
编辑ppt
13
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%。
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。
编辑ppt
11
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。
编辑ppt
17
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
编辑ppt
18
3
2
电流流进
4
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。
假定电机定子为3相6极，星型连接。转子为一对极。
A
a
b B
COM
c
C
编辑ppt
7
A
N
SS
a
N
i
图6-4
COM
c
S
N
b
i
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。
编辑ppt
8
6步通电顺序
A
FCFB+
FA+ FB-
FC+
FB-C+
B
FA-B+
FA-
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-
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。
编辑ppt
12
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”
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。
编辑ppt
19
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。