基于DSP的直流无刷电机控制系统设计(8)

基于DSP的直流无刷电机控制系统的设计

成功率逻辑单元。

永磁无刷直流电机一般由以下几部分构成：电动机本体、位置传感器和电子换向电路。在无刷直流电机中，借助反映转子位置的位置传感器的输出信号，通过电子换相电路去驱动与电枢绕组联接的相应的功率开关元件，使电枢绕组依次馈电，从而在主定子上产生跳跃式的旋转磁场，拖动永磁转子旋转。随着转子的转动，位置传感器不断的送出信号，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，这就是无刷直流电动机的无接触式换流过程的实质。其原理如图2所示。由于无刷直流电机中的永久磁钢装在转子上，而有刷直流电机磁钢装在定子上。无刷直流电机的电子换向线路是用来控制电机定子上上各相绕组通电的顺序和时间的，主要由功率开关单元和位置传感器的信号处理单元两个部分组成。

+ VP3 VP1 B B1 A C B VP2 A - 图4 无刷直流电动机的结构

功率逻辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定的逻辑关系分配给无刷直流电机的各相绕组，以便使电机产生持续不断的转矩。而各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的转子位置信号。但是，由位置传感器所产生的信号一般不能直接用来控制功率逻辑开关单元，需要经过一定逻辑处理后才能去控制逻辑开关单元。

众所周知，一般的永磁式直流电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。由于电刷的换相作用，使得这两个磁场的方向在直流电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机不停的运转。有刷直流电机的电刷起着电枢电流换向位置的检测作用。和无

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无刷直流电动机的结构及原理

刷直流电机相比，就不难看出，其实无刷直流电机和有刷直流电机一样，本身都是一台同步电机，只是有刷直流电机中加的是一个机械的逆变器—换向器和电刷，而无刷直流电机采用 电子换向装置—电子逆变器代替机械换向器和电刷的作用。尽管二者构造不同，它们所起的作用却是完全相同的，都是为了实现直流电机的换相[7]。

无刷直流电机为了实现无电刷换相，首先要求把一般直流电机的电枢绕组放在定子上，这与有刷直流电机的结构刚好相反。但仅仅这样还不行，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，但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，无刷直流电机除了由定子、转子组成电机本体外，还需要由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关共同构成的换向装置，使得无刷直流电机运行过程中定子绕组所产生的磁场和转动中的转子磁钢所产生永久磁场，在空间始终保持在90°左右电角度。在本设计系统中，电机采用三相六极永磁无刷电机，其定子绕组反电势为平顶宽120°的梯形波。下面将对本系统采用两相导通三相六拍运行方式的无刷直流电动机的工作原理进行具体分析。

运行中转子位置信号控制相应的绕组导通，正转时的导电顺序如下：AB，AC，BC， BA，CA，CB(产生正转力矩)，如果要产生反转力矩则以反序通电。这样在任意一个状 态中仅有两个绕组导通，一相绕组正相导通，一相绕组反相导通，而另一相绕组对应的 功率器件上下桥臂均不会导通。任一相绕组，在一个电气周期120°正导通，然后60°不导通，再有120°反向导通，然后是60°不导通。

下面讨论一下无刷直流电机的力矩产生原理。以一相绕组正相导通的范围内产生的力矩为例。当电机恒速运转，电流指令为一恒值的稳态情况下，控制电路强迫该相电流为某一恒值。电机设计时使每一相绕组的反电势波形为有平坦顶部的梯形波，其平顶宽度也尽可能接近120°，根据转子位置传感器的信号，可以使该相电流导通部分和梯形波反电势的平顶部分在相位上完全重合。这样，在120°范围内，该相电流产生的电磁功率和电磁力矩均为恒值，由于每相绕组正向导通和反向导通的对称性，以及三相绕组的对称性，因此总的电磁力矩为恒值，与转角位置无关。但实际上由于每相的反电势梯形波平顶部分的宽度很难达到120°平顶部分也不可能做到平坦无波纹，加上齿槽效应的存在等原因，力矩波动不可能为零。