无刷直流电机的原理和控制——介绍

位置传感 电路
三相电压 逆变电路
永磁无刷 电机
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控制系统（十五）
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控制系统（十） 分立元件加少量集 成电路构成的模拟 控制系统
模拟 控制 系统 控 制 器
基于专用集成电路 的控制系统
数模混合控制系统 数字 控制 系统
全数字控制系统
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控制系统（十一）
用微处理器取代模拟电路作为电动机的控制器有以下优点
使电路更简单 可以实现较复杂的控制 提高了控制的灵活性和适应性 无零点漂移，控制精度高 可提供人机界面，多机联网工作

PID 调节器
同步/PWM 控 制
三相 逆变器
Ia
无刷直流 电动机
I phase
MAX ABS ( I a , I b )
数字低通 滤波
Ib
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CAN
控制系统（十四）
瞬时 无功 转矩 算法 单元 电机转速 计算单元 换流位置 计算单元
电流 调节 单元
电机通信 控制单元
同步PWM 产生单元 温度信号 处理电路 电压信号 处理电路 驱动信号 隔离 相电流 采样电路
A
B
VT4 -
VT6
VT2
C
位置检测器的三个输出信号通过逻辑电路控制这些 开关管的导通和截止，其控制方式有两种：二二导通 方式和三三导通方式。
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控制系统（三）
磁敏式
有位 置传 感器 检测 光电式
电磁式
接近开关式 正余弦变压器 编码器
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控制系统（四）
无位 置传 感器 检测
反电动势检测
续流二极管工作状态检测 定子三次谐波检测 瞬时电压方程法
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无刷电机优点（二）
无刷直流电机的高效率，高效区域大，功率和转矩密度高 ，功率因数（COSΦ ）接近1，系统效率＞90%,永磁无刷直 流电机在任何情况下转子都是同步运行，交流变频电机是 变频调速，无刷直流电机是调速变频，电机在同步转速下 运行，转子既无铜耗又无铁耗。 无刷直流电机具有低电压特性好，转矩过载特性强，启动 转矩大（堵转特性），启动电流小等优点。 宽调速﹑小体积﹑高效率和稳态转速误差小，自控式运行 的，可以重载启动，在负载突变时不会产生振荡和失步
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无刷电机优点（一）
有刷电机采用机械换向，寿命短﹑噪声大﹑产生电火花， 效率低。它长期使用碳刷磨损严重，较易损坏。同时磨损 产生了大量的碳粉尘，这些粉尘落轴承中，使轴承油加速 干涸，电机噪声进一步增大。有刷电机连续使用一定时间 就需更换电机内碳刷。无刷电机以电子换向取代机械换向 ，无机械摩擦，无磨损，无电火花，免维护且能做到更加 密封等特点所以技术上要优于有刷电机。 无刷直流电动机的永磁体，现在多采用高磁能积的稀土钕 铁硼材料。因此，稀土永磁无刷电动机的体积比同容量三 相异步电动机缩小了一个机座号。
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基本原理（一）

+
B ’ A C ’ B C
位置传 感器
无刷直 流电机
无刷直流电机组成部分：电 机本体、位置传感器、电子 开关线路； 电机本体在结构上与永磁 同步电动机相似； 电子开关线路由功率逻辑 开关单元和位置传感器信 号处理单元两部分组成； 电子开关线路导通次序是 与转子转角同步的，起机械 换向器的换向作用。
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A ’

电子开 关线路
V1
V2
V3

-Leabharlann Baidu

基本原理（二）
定子 永磁转子 传感器定子 传感器转子
无刷直流电动机结构
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基本原理（三）
转子每转过60o，逆变器开关管换流一次、定子磁状态改变 一次，电机有6个磁状态，三相各导通120o——两相导通三 相六状态 转子磁场顺时针连续旋转、定子磁场隔60O跳跃旋转 ——自同步电机
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控制系统（五）
对于单相交流电源供电、电机采用三相电枢绕组时，典型的 开关主电路通常由整流电路、滤波电路、缓冲电路和逆变电 路构成
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控制系统（六）
逆变电路：功率开关管T1~T6、续流二极管D1~D6功率开 关管Tl~T6通常为GTR、功率MOSFET、IGBT、GTO以及 MCT等功率电子器件，也可以为功率集成电路PIC或智能 功率模块IPM
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基本原理（四）
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基本原理（五）
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控制系统（一）
控制电路对转子位置传感器检测的信号进行逻辑变换后产生脉宽 调制PWM信号，经过驱动电路放大送至逆变器各功率开关管，从 而控制电动机各相绕组按一定顺序工作，在电机气隙中产生跳跃 式旋转磁场。
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+ VT1 US
控制系统（二）
VT3 VT5
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控制系统（十二）
80C196MC IR2130 栅极 驱动 电路 IGBT 逆 变 器
过电压、 过电流保 护电路
中断
WG1 WG1 WG2 WG2 WG3 WG3 P0.2 P0.3 P0.4 EPA
BLDCM
速度给定
ACH0
位置传感器
转向设定
P0.1
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控制系统（十三）
位置
I ref

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发展历程
初衷：克服机械换相带来的缺点，以电子换相取代机械换相
发展过程：1955年美国D．Harrison等人首次申请了用晶体 管换相电路代替机械电刷的专利，标志着现代无刷电动机的 诞生；而电子换相的无刷直流电动机真正进入实用阶段， 1978年德国推出MAC无刷直流电动机及其驱动器的推出，标 志着走入实用化阶段；之后，国际上对无刷直流电动机进行 了深入的研究，先后研制成方波无刷电机和正弦波直流无刷 电机 发展方向：控制更精密；功率更大；无位置传感器；降低转 矩波动；
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控制系统（七）
驱动电路将控制电路的输出信号进行功率放大 ，并向各开关管送去能使其饱和导通和可靠关 断的驱动信号。 驱动电路的工作方式直接影响着开关管的一些 参数和特性，从而影响着整个电机控制系统的 正常工作。 开关管的种类不同，对驱动信号的要求也不同 ，因而对应的驱动电路也不同。
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控制系统（八）
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控制系统（九）
控制电路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： 1)对转子位置传感器输出的信号、PWM调制信号、正反转和停 车信号进行逻辑综合, 给驱动电路提供各开关管的斩波和选通信 号, 实现电机的正反转及停车控制。 2)产生PWM调制信号，使电机的电压随给定速度信号而自动变 化，实现电机开环调速。 3)对电动机进行速度闭环调节和电流闭环调节，使系统具有较 好的动态和静态性能。 4)实现短路、过流和欠压等故障保护功能等。
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应用领域
汽车：空调；油泵电机；电动汽车驱动电机；电 动自行车；摩托车起动电机等
家用电器：变频空调；变频冰箱；变频洗衣机； 吸尘器；搅拌机等；
工业自动化设备：缝纫机；高档数控加工设备、 工业智能机器人、自动化生产流水线、自动纺织、 包装、冶金等； 精密电子设备和仪器：医疗器械；打印机；复印 机等； 其它：航空航天；兵器等;
无刷直流电机的原理和应用
The principle and application of Brushless DC Motor
December.2014
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目


录
发展历程
无刷直流电机的优势 应用领域 基本原理 控制技术