永磁无刷直流电动机

两相导通星形三相六状态时绕组和开关管导通顺序表
1-2 基本结构
1） 电机本体
定子：与普通异步电机相同，铁心中嵌三相 或多相对称绕组 转子：永磁结构
瓦形（径向磁化）
矩形(切向磁化)
环形(径向磁化)
稀土水磁无刷直流电动机结构示意图
1——转轴；2——前端盖；3——螺钉，4——垫片； 5——轴承；6——定子； 7一转子；8一传感器转子； 9——后端盖；10——传感器定子
结 论
无刷直流电机电动势公式与直流电机相似
2．电枢电流
电压平衡方程式：
电源电压
开关管的饱 和管压降
电阻压降
电枢电流为：
3. 电磁转矩
所以： Tem=CTIa
结 论
无刷直流电机转矩公式与直流电机相似
2-2 三相永磁无刷直流电动机数学模型
三相绕组的电压平衡方程为
定 组 子 电 相 压 绕
定 组 子 电 相 流 绕
换相电流变化曲线
情况1特点：换相电流同时达到稳态 情况1条件： U=4E
2）ia降为零时，ib还未达到稳态值I
令ia(tf)＝0，得ia降为零的时间tf
此时
所以情况2发生的条件：U<4E
换相电流变化曲线
3）ib达到稳态值I时，ia还未降为零 发生条件： U>4E
换相电流变化曲线
4-3 不同换相过程中转矩的脉动
结 论
1、换向转矩脉动决定于绕组反电势，也就是电机 的转速，而与电枢稳态电流无关。 2、当转速很低或堵转时，E0,T＝50％； 3、当转速很高时，U＝2E ,T=-50％； 4、当转速满足时，U＝4E , T=0。
5 永磁无刷直流电动机的控制器
控制器是无刷直流电动机的三大组成部分之一，它主 要包括开关主电路(即逆变器)、驱动电路和控制电路。
4-1 换相过程中各相绕组中的电流变化
换相过程中，各相绕组的电压、电流方程：
假设不考虑定子绕组电阻、并令LM=L一M，则上 式变为：
电机各相绕组具有梯形波反电势，其平顶波宽大 于120o电角度，幅值大小相等，因而有: 相电势
续流回路：
BC相回路：
因星形绕组中ia十ib十ic＝0，则有:
所以： 续流回路： BC相回路：
第二种方式：直接将霍尔元件敷贴在定子电枢铁心 气隙表面或绕组端部紧靠铁心处，利用电机转子上 的稀土磁体主极作为传感器的水滋体，根据霍尔元 件的输出信号即可判断转子磁极的位置，将信号放 大处理后便可驱动逆变器工作。
Hall IC 安装示意图
1、三个霍尔元件在 空间依次相差120o电 角度 2、传感器磁极与转 子磁极同轴旋转、极 数相等、极性相对应
换相过程中的电磁转矩：
因ia十ib十ic＝0，则有:
换向期间电磁转矩与非换向相绕组中的电流成正比
对于情形①：U＝4E,T保持恒定 对于情形②： U<4E,T减少 对于情形②： U>4E,T增加
在非换向时，即每个导通状态内，电机的电磁转矩为
当U<4E时： 换向转矩脉动为：
当U>4E时：
换向转矩脉动为:
自定 感子 、相 互绕 感组
微 分 算 子
组定 电子 动相 势绕
由于三相绕组对称，相间互感相等，故：
当三相绕组为Y连接，且没有中线，则：
ia+ib+ic=0 Mia+Mib=-Mic Mib+Mic=-Mia Mia+Mic=-Mib
所以得电压方程：
电磁转矩为：
该方程用于计算BLDCM的动稳态性能
霍尔器件以霍尔效应为其工作基础，是一种磁传感器。 可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合 中使用。霍尔传感器主要有两大类，一类为开关型 器件，一类为线性霍尔器件。
Hall IC 安装方式
第一种方式：将霍尔元件粘贴于电机端盖内表面， 靠近霍尔元件并与之有一小间隙处，安装着与电 机轴同轴的永磁体。
5-1 开关主电路
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
整流电路由变压器TR1 和整流桥 BRl组成 ,将 滤波电路实现直流电源的低通滤波，形成低内阻硬持 逆变电路：功率开关管 T1~T6 、续流二极管 D1~D6 缓冲电路是为减少开关管承受的尖峰电压。由 R3 、C3、 交流电源转换为直流电源 性直流电压源，同时与绕组感性负载交换无功功率， D7 组成RDC 缓冲电路。缓冲电容 C3MOSFET 应选用高频特性好 功率开关管 Tl~T6 通常为GTR、功率 、IGBT、 其功能由大电容 C2 实现 的无感电容， D7 应选择过渡正向电压低、反向恢复时 GTO以及MCT等功率电子器件，也可以为功率集成电 间短的快速恢复二极管。 路 PIC或智能功率模块IPM
5-3 控制电路
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。
5-2 驱动电路
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。
常见集成驱动电路
传感器：H1=0 H2=1 H3=1 导通相：A
传感器：H1=0 H2=0 H3=1 导通相：A
传感器：H1=1 H2=0 H3=1 导通相：B
1 基本结构与工作原理
1-1 基本原理
直流电源 控制器 电动机
输出
位置传感器
无刷直流电机构成框图
永磁无刷直流电机系统图
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。
无刷直流电机的磁场、电势、电流波形 方波电动机——梯形波反电势与方波电流
2-1 基本公式(三相六状态)
1．电枢绕组感应电势
单根导体在气隙磁场中感应电势 e=BLv
2 pn v n (m / s) 60 60
如电枢绕组每相串联匝数为W，则每相绕组的感 应电势为
D
又因为
所以：
对于三相六状态电机,线电压为：
uhb=uhc=1
反 转 BC导通 时 相 互 位 置 uha=uhc=0 关 系 uhb=1
AC导通
uha=0
反转逻辑
正、反转时开关管的导通逻辑关系
三、永磁无刷直流电动机的运行特性
1、机械特性
永磁无刷直流电动机的机械特性与有刷直流电动 机的机械特性的表达式相同，机械特性较硬。 但由于公式是在忽略电枢绕组电感时得到的，故 与实际电机的机械待性有一定区别。
工作原理
转子每转过60o，逆变器开关管换流一次、定子磁状 o图示位置→ 磁极转过 60 磁极图示位置 → 位置信号 态改变一次，电机有6个磁状态，三相各导通120o— 位置信号→逻辑变换 → 逻辑变换 → V1 、 V6 开通 —两相导通三相六状态 →V1、V2 开通→ A、C → A、B相导通→I:E+-AO跳跃旋转 转子磁场顺时针连续旋转、定子磁场隔 60 相导通→I: E+-A-C-EB-E- →电机顺时针旋转 →电机顺时针旋转 ——自同步电机
控制电路的形式:
1、分立元件全模拟电路——经济型
2、专用集成控制电路 —— 规模化、专用
3、数模混合控制电路 —— 半数字化 (PID)
4、全数字控制电路 —— 高性能(MCU DSP)
eg1: 以8098单片机为核心的数字式控制电路
以8098单片机为核心的系统简介：
输入信号：转子位置传感器送来的VA、VB、VC，正 反转及停车信号ZZ、FZ、STOP，过流信号IP及调速信 号P0.4。 输出至驱动电路的信号为UGl一UG6和PWM斩波信号。 单片机8098、锁存器74LS373和片外程序存储器27128 (EPROM)组成8098单片机最小系统。 两片可编程逻辑器件GAL16V8实现对输入信号的逻辑 综合。 8098单片机通过软件实现PWM斩波信号输出、最佳起 动过程，通过对位置传感器的信号计算测量转速、实 现速度闭环和电流闭环的PID控制等功能。
永磁无刷直流电动 机的机械特性曲线 对比
机械 特性曲线组
2、调节特性 n=f(U)|Tem=C
调节特性曲线组
4 BLDCM的换相分析
换相前:AC导通 V1A C V2
换相中：BC通、A续流
V3B C V2 ACV2 D4 A (A相续流)
换相后：BC通
V3B C V2
Hall IC
PM
由于功率开关管只能单向导通，所以 BLDCM反转不能靠通以反向电压实 现。只有靠控制绕组的导通顺序来实 现。
换相逻辑转向
PM
位置传感器与定子绕组、磁极的相互关系
uhaBaidu Nhomakorabeauhb=1
正 转 AB导通 时 相 互 位 置 uha=uhc=0 关 系 uhb=1
AC导通
uhc=0
正转逻辑
换向过程中各相电流变化公式：
设初值和终值为换向前后各相电流的值I，求解该组 微分方程得：
4-2 换相过程的三种情况
1）ia与ib变化率相等，即ia降为0的同时, ib达到稳态值I 令ia(tf)=0，可得换相时间tf为 令ib(tf)=I，可得换相时间tf为
所以：
U=4E
上式反应了在该换相条件下，外加电压与电机 绕组反电势，也即转速之间的相应关系
永磁无刷直流电动机 Permanent Magnet Brushless DC Motors (PM BLDCMs)
三相三状态BLDCM 原理
传感器：H1=1 H2=0 H3=1 导通相：B
传感器：H1=1 H2=0 H3=0 导通相：B
传感器：H1=1 H2=1 H3=0 导通相：C
传感器：H1=0 H2=1 H3=0 导通相：C
电磁式位置传感器的定子 由磁芯、高频激磁绕组和 输出绕组组成，转子由扇 形磁芯和非导磁衬套组成
定、转子磁芯均由高频导 滋材料(如软磁铁氧体)制 成。 电机运行时，输入绕组中 通以高频激磁电流，当转 子扇形磁芯处在输出绕组 下面时，输入和输出绕组 通过定、转子磁芯耦台， 输出绕组中则感应出高频 信号，经滤波整形和逻辑 处理后，即可控制逆变器 开关管。
2) 逆变器：最常用的为三相星形六状 态 和三相星形三状态
三相星形三状态 三相星形六状态
3) 位置传感器
• 磁敏式位置传感器 —— 霍尔元件 • 电磁式位置信感器 —— 高频线圈 • 光电式位置信感器 ——光耦合器件
置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场垂直，则 在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场， 这个现象是霍普金斯大学研究生霍尔于1879年发现的， 后被称为霍尔效应。
eg2: 实用型控制器
实用型控制器介绍
1) 开关主电路
电源电压48VDC，经LC滤波电路输出稳定的 48V电压。
采用三相桥式逆变器，工作方式为120o导通型 星形三相六状态。 功率开关管T1~T 6选用高速型MOSFET器件 IR540，D1~D6为续流二极管。 采用一个整体型RCD缓冲电路。
优点1：电磁式传感器 具有较高的强度，可经 受较大的振动冲击，故 多用于航空航天领域。 优点2：电磁式位置传 感器输出信号较大，一 般不需要经过放大便可 直接驱动开关管，但因 输出电压是交流，必须 先整流。 缺点：传感器过于笨重 复杂，因而大大限制了 其在普通条件下的应用。
2 三相永磁无刷直流电动机基 本公式与数学模型
2-3 BLDCM运行特性与特性分析
一、电枢反应
电机负载时电枢磁场对主磁场的影响称为电 枢反应。
电抠反应与磁路的饱和程度、转向、电抠绕 组联结方式、导通顺序和磁状态角的大小有 关。
二相导通星形三相六状态为例对电枢反应进 行分析
一个磁状态范围内，两相绕组的磁势
起始 终止
去磁
助磁
三相六状态:磁状态角m=60o;在一个磁状态下,
两相绕组磁势方向不变，转子磁场顺时针旋转
结论：在一个磁状态范围内，电枢磁势 在刚开始为最大去磁，然后逐渐减小， 在1/2磁状态时不去磁不增磁，后半个磁 状态逐渐增磁并达到最大值。
增磁或去磁的数值等于电枢合成磁势Fa在转子磁极 轴线上的投影，其最大值为：
电枢合成磁势:
相磁势：
二、无刷直流电机正反转