无刷直流电机控制器的设计本科毕业论文(3)

2.1.2 无刷直流电机的原理

无刷直流电机的工作过程是电机本体、转子位置传感器和电子换向电路三者协同工作的过程，只要有任何一方出了差错，都会对电机的运行造成很大的影响。三者的工作原理图如图2-2所示：

直流电源 电子换相模块 电机本体 输出 转子位置传感器

图2-2 无刷直流电机工作原理框图

在无刷电机中，借助反映主转子位置的位置传感器器的输出信号，通过电子换相电路去驱动与电枢绕组连接的相应的功率开关器件，使电枢绕组依次通电，从而在定子上产生跳跃式的旋转磁场，驱动永磁转子旋转。随着转子的转动，位置传感器不断送出信号，然后通过控制器对这些信号的判断，不断送出驱动信号控制相应的功率器件开关，以改变电枢绕组的通电状态，使得在某一磁极下导体中的电流方向始终保持不变，这就是无刷直流电机的无接触式换相过程。

无刷直流电机的电枢绕组的联结方式基本上有星形绕组和封闭式绕组两类，这里介绍星形绕组。星形联结方式是把所有绕组的首端或尾端接在一起，与它们相配合的电子换相电路为桥式联结，也可以为非桥式联结，图2-3即为三相桥式星形联结。

现以图2-3所示的三相桥式星形联结方式来介绍一下无刷直流电机的工作过

程。

假设此时无刷直流电机的三个位置传感器的物理位置是相互之间间隔

120°，那么在转子转动时其中的位置传感器就会感应出特定的信号来。以霍尔传感器为例，当转子处于正转的状态时，三个霍尔传感器H1、H2、H3感应出

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的信号分别为101、100、110、010、011、001，然后进行下一轮循环。当转子处于一种反转的状态时，三个霍尔传感器感应出的信号则与正转时感应的相反，这里不再赘述。

图2-3 三相桥式星形联结示意图

无刷直流电机的转动离不开电子换相电路的支持。当电机内部的霍尔传感器感知出一个信号后，电子换相电路要及时获取这个信号，并且很快地根据这个信号来正确判断输出与其相应的驱动信号。以无刷直流电机的正转为例，当电机的霍尔传感器输出信号为101时，打开V1、V4，使A、B相导通；当信号为100时，打开V1、V6，使A、C相导通；当信号为110时，打开V3、V6，使B、C想导通；当信号为010时，打开V3、V2，使B、A相导通；当信号为011时，打开V5、V2，使C、A相导通；当信号为001时，打开V5、V4，使C、B相导通。只有电子换相电路实时跟进电机内部霍尔传感器捕获的信号，电机才能正常运转[1]。

2.1.3 无刷直流电机的运行特性

无刷直流电机的运行特性在此主要介绍其启动特性和调速特性。讨论各种电机的运行特性时，一般都从转速公式、电动势平衡方程式、转矩公式和转矩平衡方程式出发。

对于无刷直流电机，其电动势平衡方程式为

错误！未找到引用源。 (2-1)

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式中，U是电源电压（V）；E是电枢绕组反电动势（V）；Iacp是平均电枢电流（A）；错误！未找到引用源。是电枢绕组的平均电阻（Ω）；ΔU是功率晶体管饱和管压降（V），对于桥式换相线路为2ΔU。

对于不同的电枢绕组形式和换相线路形式，电枢绕组反电动势有不同的等效表达式，但不论哪一种绕组和线路结构，均可表示为

错误！未找到引用源。 (2-2)

式中，n是电机转速（r／min）；错误！未找到引用源。是反电动势系数（V／r／min）。 由式（1－1）、式（1－2）可知：

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在转速不变时，转矩平衡方程式为

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式中，M2是输出转矩（N·m）Mo是摩擦转矩（N·m）,M是电磁转矩。这里，

错误！未找到引用源。 (2-5)

Km为转矩系数（N·m／A）。 在转速变化的情况下，则

错误！未找到引用源。 (2-6)

式中，J是转动部分（包括电机本体转子及负载）的转动惯量（kg。2m）；ω是转子的机械角速度（rad／s）。

电机在起动时，由于反电动势为零，因此电枢电流（即启动电流）为

错误！未找到引用源。 (2-7)

其数值是正常情况下工作电枢电流的几倍到几十倍，由式(2-5)可知，此时电枢的电磁转矩非常大，电机能很快起动。随着转子的加速，反电动势E增加，电磁转矩降低，加速转矩减小，最后进入正常的工作状态。为了防止在起动时因起动电流过大而烧坏了电机，这就要求控制器在控制电机起动时必须要使PWM驱动波保持在一个比较合理的占空比上，并设置电流反馈控制，在保证电机能快速起动的基础上又尽量让电机保持在一个电机能接受的范围内。另外，当电机发生堵转时，这时电机也会有很大的电枢电流流过，这时在控制器上设置一个过流保护电路也是很必要的。总之，对电流的检测，一切都是为了电机的安全。

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现讨论电机的调速特性。当电机以一定的转速正常运行时，此时电枢电流为：

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电磁转矩为：

错误！未找到引用源。 (2-9)

由此看出，当不记电源电压U的变化和电枢反应的影响时，式(2-9)等号右边第一项是常数，所以电磁转矩随着转速的减小而线性增加，如图 2-4所示：

图2-4 无刷直流电机机械特性曲线

当转速为零时，即为起动转矩；当式(2-9)等号右边两相相等时，此时转矩M=0，即电机运行在空载的状态。实际上由于电机损耗中可变部分以及电枢反应的影响，输出转矩会偏离直线变化[1][4]。

当在同一转速下改变电源电压，亦即控制住（2-9）等号右边的第一项，这时就能很容易地改变输出转矩M，也很容易在同一负载下改变转速。所以无刷直流电机的调速性能很好，可以通过改变电源电压实现平滑调速，但此时电子换相线路及其他控制线路的电源电压仍能保持不变。无刷电机的这个运行特性就和有刷电机很相似了，他们都有着良好的伺服控制性能，这也为无刷直流电机用PWM波控制其转速提供了理论基础。

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