无刷直流电动机控制系统

无刷直流电动机的组成结构和工作原理

  三相永磁无刷直流电动机（简称无刷直流电动机）和有刷直流电动机相比，由于去除了滑动接触机构，因而消除了故障的主要根源。有专家认为无刷直流电动机将作为信息时代的主要执行部件在各行各业得到最广泛的应用。

  三相永磁无刷直流电动机和一般的永磁有刷直流电动机相比，在结构上有很多相近之处：

用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极； 

用具有三相绕组的定子取代转子电枢；  

用逆变器和转子位置检测器组成电子换向器，取代有刷直流电动机的机械换向器和电刷。

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

·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。

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。

·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。

·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-

·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。

·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-

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。

  霍尔位置传感器和电动机本体一样，也是由静止部分和运动部分组成，即位置传感器定子和位置传感器转子。传感器转子与电动机主转子一同旋转，以指示电动机主转子的位置；若干个霍尔元件，按一定的间隔，等距离地安装在传感器定子上，以检测电动机转子的位置。

  如果转子的极对数为1，位置传感器的永磁转子每转过一对磁极(N、S极)的转角，也就是说每转过360º电角度，就要产生出与电动机绕组逻辑分配状态相对应的开关状态数，以完成电动机的一个换流全过程。

  如果转子的极对数越多，则在360º机械角度内完成该换流全过程的次数也就越多。

霍尔位置传感器必须满足以下两个条件：

 1）位置传感器在一个电周期内所产生的开关状态是不重复的，每一个开关状态所占的电角度应相等。

 2）位置传感器在一个电周期内所产生的开关状态数应和电动机的工作状态数相对应。

  对于三相无刷直流电动机，其位置传感器的霍尔元件的数量是3，安装位置间隔120º电角度，其输出信号是HA、HB、HC，波形见图4。

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-  

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

·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。

·图4表明，三相永磁无刷直流电动机转子位置传感器输出信号Ha、Hb、Hc在每360°电角度内给出了6个代码，按其顺序排列，6个代码是101、100、110、010、011、001。当然，这一顺序与电动机的转动方向有关，如果转向反了，代码出现的顺序也将倒过来。

·图5是三相永磁无刷直流电动机的电子换向器主回路，也就是由6只功率开关元件组成的三相H形桥式逆变电路。

   图6是三相永磁无刷直流电动机的定子绕组的结构示意图。其中虚线A-X表示与A相绕组轴线相正交的位置；虚线B-Y表示与B相绕组轴线相正交的位置；虚线C-Z表示与C相绕组轴线相正交的位置；显然由A-X、B-Y、C-Z交叉形成了6个60º的扇区，我们也把图6称作“定子空间的扇区图”。

可以通过两种不同的途径来分析无刷电动机的换相过程：

第一条途径是：利用“定子空间的扇区图”来分析换相过程（6个扇区对应6个代码）；

第二条途径是：通过分析电动机的三相反电动势来理解换相过程。

   运用“定子空间扇区图”可以分析三相无刷直流电动机在360º电角度内的换相过程，从分析可以看出，定子的磁场是步进地、跨越地前进的，每步跨越60º电角度，而转子当然是连续地运行的。

 从分析三相无刷直流电动机的三相反电势的角度，同样也可以理解其换相过程。基本思路是这样的：为了获得最大的转矩，应当使每相的反电势与该相的电流的相位相同。

 无论是从“定子空间扇区图”还是从电动机定子绕组的反电势来分析三相无刷电动机的换相过程，所得出的开关管的导通和关断状态与转子位置的关系都是相同的。

前面分析的是电动机转子顺时针运转时的情况，电动机转子逆时针运转时的情况也是类似的。