无刷电机原理及控制 三相永磁无刷直流电动机原理及控制系统

三相永磁无刷电动机和一般的永磁有刷电动机相比，在结构上有很多相近或相似之处。用装有永磁体的转子取代有刷电动机的定子磁极，用具有三相绕组的定子取代电枢，用逆变器和转子位置检测器组成的电子换相器取代有刷电机的机械换相器和电刷，就得到了三相永磁无刷电动机。

1.无刷电动机结构特点

无刷电动机属于三相永磁同步电机的范畴，永磁同步电动机的磁场来自电动机转子上的永久磁铁。在这里，永久磁铁的特性，在很大程度上决定电动机的特性。目前采用的永磁材料主要有铁淦氧、铝镍钴、钕铁硼、等 根据几种的磁感应强度和磁场强度成线性关系这一特点，应用最为广泛的就是钕铁硼。它的线性关系范围最大，被称为第三代稀土永磁合金。 在转子上安置永磁铁的方式有两种：一种是将成型的永久磁铁装在转子表面，即所谓外装式；另一种是将成型的永久磁铁埋入转子里面，即所谓内装式。根据永久磁铁安装方法不同，永久磁铁的形状可分为扇形和矩形两种。扇形磁铁构造的转子具有电枢电感小、齿槽效应转矩小的优点，但易受电枢反应的影响。且由于磁通不可能集中、气隙磁密度低，电极呈现凸的特性。矩形磁铁构造的转子呈现凸极特性，电电感大、齿槽效应转矩大，但磁通可集中，形成高磁通密度，故适于大容量电机，由于电动机呈现凸极特性，可以利用磁阻转矩，此外，这种转子结构的永久磁铁，不易飞出，故可作高速电机使用。 根据确定的转子结构所对应的每相励磁通势合布不同，三相永磁同步电机可分为两种类型：正弦波形和方波形永磁同步电机，前者每相励磁磁通势分布是正弦波形，后者每相则是方波状，根据磁路结构和永磁体形状的不同而不同，对于径向励磁结构，永磁体直接面向均匀气隙如果采用稀大材料，由于采用非均匀气隙或非均匀磁场化方向长度的永磁体的径向励磁结构，气隙磁场波形可以实现正弦分布。 应该指出稀士永磁方波形电机属于永磁无刷直流电机的范畴，而稀土永磁体正弦波形电动机则一般作为三相交流永磁同步伺服电机使用。但这不是绝对的，究竟是三相永磁直流无刷电动机还是三相永磁交流同步电机，主要决定于电动机的控制系统的方式，取决于电动机的转子位置传感器的类型。

2.

三相永磁直流无刷电动机的转子位置传感器

永磁同步电动机的控制系统都属于自控式变频系统，就是说电动机的换相状态是由转子的位置决定的，电动机的控制频率是由转子的运行速度决定的，这就需要转子的位置检测器。转子的位置检测器有多种，正弦波永磁同步电机一般采用旋转变压器式、绝对式光电脉冲编码器或增量式光电脉冲编码器作为位置检测器。而在永磁直流无刷电动机（方波电动机）中，一般采用简易型的位置检测器，该器件不能用来检测转子的精确位置，其检测精度通常只有60 的电角度，其主要作用是为了满足电动机的换相要求。 位置传感器是直流无刷电动机系统组件部分之一，也是区别于直流有刷电机和直流无刷电动机的主要标志。其作用是检测主转子在运动过程中的位置，将转子磁钢的位置信号转换成电信号，为逻辑开关电路提供正确的换相信息。以控制它们的导通和截止，使电动机电枢绕组中的电流随着转子位置的变化按次序换相。形成气隙中步进式的旋转磁场，驱动永磁转子连续不断的旋转 。 位置传感器的种类很多，有电磁式、光电式、磁敏式等。它们各具特点，然而由于磁敏式霍耳位置传感器具有结构简单、体积小、安装灵活方便、易于机电一体化等优点，故目前得到越来越广泛的应用。当磁场中的导体有电流通过时，其横向不受到力的作用，同时还出现电压，这个现象后来被称为霍耳效应。随后人们又发现，不仅是导体而且半导体中也存在霍耳效应。并且霍耳电动势更明显，这是由于半导体有比导体更大的霍耳系数的缘故。

霍耳传感器按功能和应用可分为线性型和开关型两种

（1） 线性型 线性型传感器是由电压调整器、霍耳元件、差分放大器、输出级等部分组成，输入为变化的磁感应强度得到与磁场强度成线性关系的输出电压，可用于磁场测量、电流测量、电压测量等。 （2） 开关型 开关型传感器是由电压调整器、霍耳元件、差分放大器、施密特触发器和输出级等部分组成。输入为磁感应强度，输出为开关信号。直流无刷电动机的转子位置检测器属于开关型的传感器。 直流无刷电机的霍耳位置传感器和电机的本体一样，也是由静止部分和运动部分组成，即位置传感器定子和传感器转子。其转子与电机主转子一同旋转，以指示电动机主转子的位置，即可以直接利用电动机的永磁转子，也可以在转轴其它位置上另外安装永磁转子。定子由若干个霍耳元件，按一定的间隔，等距离的安装在传感器定子上，以检测电动机转子的位置。 位置传感器的基本功能是在电动机的每一个电周期内，产生出所要求的开关状态数。位置传感器的永磁转子每转过一对磁极（N、S几极）的转角，也就是说每转过360 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。以完成电动的一个换流全过程，如果转子的极对数越多，则在360 机械角内完成该换流全过程的次数也就越多。

霍耳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。 位置传感器输出的开关状态能满足以上条件，那么总可以通过一定的逻辑变换将位置传感器的开关状态与电动机的换相状态对应起来，进而完成换相。对于三相无刷直流电动机，其位置传感器的霍耳元件的数量是3，安装位置应当间隔120 电角度，其输出信号是Ha、Hb、Hc。

3.

三相直流无刷电动机的换相原理

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，其波形见图一。当然这一顺序与电动机的转动方向有关，如果转向反了，代码顺序也就倒过来。三相永磁无刷电动机的电子换相器主回路，也就是由6个功率开关元件组成的三相H形桥式逆变器。请见下图二： 图三是三相永磁无刷直流电动机的定子绕组的结构示意图。其中线A-X表示与A相绕组轴线相交的位置；线B-Y表示与B相绕组轴线相交的位置；线C-Z表示与C相绕组轴线相交的位置；显然由A-X、B-Y、C-Z交叉形成了6个60 的扇区，我们也把此图称作“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，一是利用刚刚提到‘定子空间示意图’来分析换相过程；二是通过分析电动机的三相反电动势来理解换相过程。 无论是从定子空间扇区图还是从电动机定子绕组的反电动势来分析三相无刷电动机的换相过程。所得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。

三、无刷电机的驱动控制

对于无刷电机驱动，现有两种方式：一种是利用前面所介绍的位置传感器，经过逻辑电路的处理发面换相控制信号。一种是利用测反电动势法，得知转子位置信号，然后送入泽码器来控制三个H桥的导通。 1、 开环型无刷直流电动机的驱动控制。 其内部包括电子换相器主回路，一三相H形桥式逆度器，换相控制逻辑电路。PWM调速电路，以及过流等保护电路。 （1）、换相控制逻辑电路。 三相永磁无刷直流电动机的转子位置传感器输出信号。 Ha.Hb.Hc.在每360 电角度给出6个代码，换相控制逻辑电路接收转子位置传感器的输出信号。Ha.Hb.Hc并对其进行泽码处理。给出电子换相器主回路（三相桥式逆度器）中6个开关管的驱动控制信号。 三相霍耳输出的信号，给出的6个代码是101、100、110、010、011、001这一顺序与电机的转动方向有关转向有关，转向反了。代码出现的顺序也就倒过来，所以，换相控制逻辑电路还应当接收电动机的转向控制信号DIR，这也是一个逻辑信号，高电平控制电机正转，正转，低电平控制电机反转。 （2）、PWM调速电路。 无刷电机，加上电子换相器，（包括换向器的主回路一逆变器和换相控制逻辑电路），从原理上说，就相当于一台有刷电机也就是说，电子换相器解决了无刷电机换相问题，但没有解决电动机的调速问题，需要脉宽调制电路来实现。 由换相控制逻辑电路输出的换相信号的频率与电机的转速有关，还与电机的磙钢极对数有关，无论何种情况下，换相控制信号的频率都远远低于PWM信号的频率。因此，可以把PWM信号和换相控制信号通过逻辑“与”的办法合成在一起，通过调节PWM信号的占空比，来调节电动机的定子电枢电压，从而实现调速。 在任何时刻，在电子换相器的主回路一三相桥式逆度路中只有两个开关管导通，这两个开关管中的一个高压侧（1、3、5管中的一个），另一个在低压侧（2、4、6中的一个），也就是说，总是有高压侧的一个开关管与低压侧的一个开关管串联导通的，所以PWM信号只需与高压侧的三个开在管的控制信号通过逻辑“与”的办法合成在一起即可实现调压调速。 （3）、保护电路。 无刷电机在开环这行的情况下，最重要的保护就是过电流保护，一般在主回路中的直流母线一取得过电流反馈信号，在过电流环节与改定的保护值相比较，如果超过了保护值引起保护动作，一般是封锁逆度器中的开关管从而实现保