三相无刷直流电机系统结构及工作原理

三相无刷直流电机系统结构及工作原理

2.1电机的分类

电机按工作电源种类可分为：

1.直流电机：

(1)有刷直流电机：

①永磁直流电机：

·稀土永磁直流电动机；

·铁氧体永磁直流电动机；

·铝镍钴永磁直流电动机；

②电磁直流电机：

·串励直流电动机；

·并励直流电动机；

·他励直流电动机；

·复励直流电动机；

(2)无刷直流电机：

稀土永磁无刷直流电机；

2.交流电机：

(1)单相电动机；

(2)三相电动机。

2.2无刷直流电机特点

·电压种类多:直流供电交流高低电压均不受限制。

·容量范围大:标准品可达400Kw更大容量可以订制。

·低频转矩大:低速可以达到理论转矩输出启动转矩可以达到两倍或更高。

·高精度运转:不超过1 rpm.(不受电压变动或负载变动影响)。

·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%。

·调速范围:简易型/通用型(1:10)高精度型(1:100)伺服型。

·过载容量高:负载转矩变动在200%以内输出转速不变。

·体积弹性大:实际比异步电机尺寸小可以做成各种形状。

·可设计成外转子电机(定子旋转)。

·转速弹性大:可以几十转到十万转。

·制动特性良好可以选用四象限运转。

·可设计成全密闭型IP-54IP-65防爆型等均可。

·允许高频度快速启动电机不发烫。

·通用型产品安装尺寸与一般异步电机相同易于技术改造。

2.3无刷直流电机的组成

直流无刷电动机的结构如图2.1所示。它主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其他起动装置。其定子绕组一般制成多相（三相、四相、无相不等），转子由永久磁钢按一定极对数（2p=2,4，…）组成。

图2.1 直流无刷电动机的结构原理图

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的转矩，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，去控制电子开关电路，从而使定子各相绕组按一定顺序导通，定子相电流随转子位置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相作用。如图2.2所示。

图2.2 无刷直流电动机基本结构图

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”。其原理框图如图2.3所示。

图2.3 直流无刷电动机的原理框图

位置传感器在直流无刷电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相。位置传感器种类较多，且各具特点。在直流无刷电动机中常见的位置传感器有以下几种：电磁式位置传感器、光电式位置传感器、磁敏式位置接近传感器【3】。

2.4基本工作原理

众所周知，一般的永磁式直流电动机的定子由永久磁钢组成，其主要的作用是在电动机气隙中产生磁场。其电枢绕组通电后产生反应磁场。其电枢绕组通电后产生反应磁场。由于电刷的换向作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机运行的过程中始终保持相互垂直，从而产生最大转矩而驱动电动机不停地运转。直流无刷电动机为了实现无电刷换相，首先要求把一般直流电动机的电枢绕组放在定子上，把永磁磁钢放在转子上，这与传统直流永磁电动机的结构刚好相反。但仅这样做还是不行的，因为用一般直流电源给定子上各绕组供电，只能产生固定磁场，它不能与运动中转子磁钢所产生的永磁磁场相互作用，以产生单一方向的转矩来驱动转子转动。所以，直流无刷电动机除了由定子和转子组成电动机本体以外，还要由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关共同构成的换相装置，使得直流无刷电动机在运行过程中定子绕组所产生的的磁场和转动中的转子磁钢产生的永磁磁场，在空间始终保持在（π/2）rad左右的电角度。

2.5无刷直流电机参数

本系统采用的无刷电机参数

·额定功率：100W

·额定电压：24V（DC）

·额定转速：3000r/min

·额定转矩：0.23N•m

·最大转矩：0.46N•m

·定位转矩：0.01N•m

·额定电流：4.0A

·最大电流：8.0A

·极对数：4

·霍尔传感器位置呈60°放置

2.6三相无刷电动机主电路及工作方式

无刷直流电机有多相结构，每种电动机可分为半桥驱动和全桥驱动，全桥驱动又可分为星形联结和三角形联结以及不同的通电方式。因此，不同的选择会使电动机产生不同的性能和成本，这是每一个应用系统设计者都要考虑的问题。下面做一下对比。

（1）绕组的利用率。与普通直流电机不同，无刷直流电动机的绕组是断续通电的。适当地提高绕组通电利用率可以使同时通电导体数增加，使电阻下降，提高效率。从这个角度来看，三相比四相好，四相比无相好，全桥比半桥好。

（2）转矩的波动。无刷直流电动机的输出转矩波动比普通直流电动机的大，因此希望尽量减小转矩波动。一般相数越多，转矩的波动越小。全桥驱动比半桥驱动转矩的波动小。

（3）电路的成本。相数越多，驱动电路所使用的开关管越多，成本越高。全桥驱动比半桥驱动所使用的开关管多一倍，因此成本要高。多相电动机的结构复杂，成本也高【9】。

综合上述分析，本系统采用三相星形（Y）联结全控电路，如图2.4。

图2.4 三相星形（Y）联结绕组三相全控桥式电路

单片机输入控制信号到LM621的输入端，通过内部驱动之后控制信号被加载到功率MOSFET的栅极，通过控制信号驱动MOSFET的开关，这样只要单片机控制好各相输出的相位关系在转子转到合适的位置后进行换相，这样就能在单片机端口输出TTL电平的时候输出端将高压信号直接加载到无刷直流电机的相应相的绕组上。

在三相逆变电路中，应用最多的是如图2.4所示的三相桥式全控逆变电路。在该电路中，电动机的三相绕组为星形（Y）联结。VF1、VF2、…、VF6为六只MOSFET功率管，起绕组的开关作用。他们的通电方式又可分为两两导通和三三导通两种方式。

1.两两通电方式