ML4428无位置传感器的控制设计(3)

① 对于整距集中绕组而言，每极下同相绕组的导体处在同一个槽内，气隙磁通密度相同。叠加同相绕组各个导体的反电势得到总的反电势波形，其形状与

气隙磁通密度的波形相似，反电势波形平顶宽度等于气隙磁通密度空间分布

波形的平顶宽度。整距集中绕组能得到较好的提醒反电势波形。

② 为了有效的利用定子内表面空间和便于绕组散热，可将每极每相绕组均匀分散于定子表面，形成分布式绕组，一般情况下，受各种因素的影响，气隙磁

通密度的空间分布较难达到理想的方波波形。

③ 采用短距绕组可缩短绕组端接线，节约铜材料。它所产生的基波转矩被削弱的并不多，但有利于削弱转矩谐波。

3、转子

无刷直流电机的转子由一定极对数的永磁体镶嵌在铁心表面或者嵌入铁心内部构成。目前永磁体多采用稀土材料制作而成，无刷直流电机转子的永久磁钢与有刷电机中所用的永久磁钢作用相似，军事在电机气隙中建立足够的磁场，其不同之处在于无刷直流电机中永久磁钢装在转子上，而有刷电机的磁钢装在定子上，常见的转子结构有三种形式：

① 表面粘贴式磁极（又称为瓦型磁极）。表面粘贴式磁极即在铁心外表面粘贴径向充磁的瓦片形稀土永磁体，有时也采用矩形小条拼装成瓦片形磁极，以降

低电机制造的成本，在电机设计过程中若采用瓦片形永磁体径向励磁并取其

极弧宽度大于120度电角度，可以产生放波形式的气隙磁通密度，减小转矩

波动，无刷直流电机多采用此种结构。

② 嵌入式磁极（又称为矩形磁极）。嵌入式磁极即在铁心内嵌入矩形永磁体，这种结构的优点是下一个极距下的磁通由相邻的两个磁极并联提供，由于聚磁

作用可以提供较大磁通，但这种结构需要做隔磁处理或采用不锈钢轴。

③ 环形磁极。环形磁极 在铁心外套上一个整体稀土永磁环，并且通过特殊方式将环形磁体径向充磁为多级。该种结构的转子制造工艺相对简单，适用于体

积和功率较小的电机。

4、位置传感器

位置传感器在无刷直流电机中起着检测转子磁极位置、为逻辑开关电路提供正确的换相信息的作用，即将转子磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相，使电机电枢绕组中的电流随着转子位置的变化按一定次序换相，通过气隙形成步进式旋转磁场[2]

ML4428无位置传感器的控制设计

2.2无刷直流电机的工作原理

众所周知，在有刷直流电机中电刷起着电枢电流换相和位置检测的作用。它不仅引导电流，而且由于电枢导体在经过电刷所在位置时，其中的电流也要改变方向，所以电刷的位置决定着电流换相的地点。与有刷直流电机相比，无刷直流电机顾名思义就是不存在着机械的电刷，它是通过采用电子换相装置代替了机械换相和电刷的作用。尽管二者构造不尽相同，但是作用确实完全一样的。下面以三相直流无刷电机半控桥电路为例，简述其工作原理。图2-2即为三相无刷直流电机半控桥电路原理图。图中位置传感器VPl、VP2、VP3为光电器件，以三只功率晶体管V1、V2、V3构成功率逻辑单元。图2-2a所示转子位置与图2-2b所示位置一致。当光电器件VPl被光照射，使得功率管v1呈导通状态，电流流入绕组A—A·，该绕组电流与转子磁极作用后所转动。当转子磁极转到图2-2b所示位置时，直接装在转子轴上的旋转遮光板也随着同步转动，并遮住VPl使VP2受光照射，从而使得v1截止、V2导通，电流从绕组A．A’断开而进入绕组B．B’，使得转子磁极继续朝着箭头方向转动，并带动遮光板同时期顺时针转动。当转子磁极转到图2-2c所示位置时，遮光板已经遮住了VP2，使得VP3被光照射，导致V2截止、V3导通，电流流入了C．C’，于是驱动转子磁极继续朝着顺时针方向旋转，并重新回到2-2a的位置。这样，定子绕组在传感器的控制下便实现了各相绕组电流的换相。在换相过程中，定子绕组在工作气隙中形成的旋转磁场是在360°电角度范围内有三种磁状态每种磁状态持续1200电角度，如图2-2所示，图中Fa、Fb、Fc分别为绕组A．A’、B—B’、C．C’通电后产生的磁通势。图2-2a为第一状态，绕组电流与转子磁场的相互作用使得转子沿顺时针旋转，经过120°电角度后进入第二状态，这时A．A’断电，

B．B’通电，即定子绕组所产生的磁场转过了120°，如图2-2b所示，电动机转子继续沿着顺时针旋转。再转过120°电角度，便进入第三状态，此时B．B’断电，C．C’通电，定子绕组所产生的磁场又转过了120°电角度，如图2-2c所示。它继续驱动着转子沿顺时针旋转120°电角度恢复到初始状态[3]。这样周而复始，电机转子便连续不断地旋转。图2-2给出了各相绕组的导通顺序示意图。

图2-2各相绕组的导通顺序示意图

ML4428无位置传感器的控制设计

2.3电机运行特性

2.3.1机械特性

无刷直流电机的机械特性如下式：

（2.1）

从式2.1可以看出，无刷直流电机与一般的直流电动机的机械特性表达式是一致的。

图2-3 无刷直流电动机的机械特性曲线

图2-3所示的内容是电机在不同的电压驱动下机械特性曲线，其中n01、n02、n03、n04是空载时的转速，在实际情况下，在转矩较大，转速较低时，流过开关管和电枢绕组的电流值很大，这时，管压降随着电流的增大加快，使加在电枢绕组上的电压有所减小，在途途中靠近横轴的直线部分会向下弯曲。

2.3.2调节特性

调节特性曲线如图2-4所示。

图2-4 无刷直流电机的调节特性曲线

ML4428无位置传感器的控制设计

调节特性的起始电压和斜率分别为：

从机械特性和调节特性可以看出，无刷直流电动机与一般直流电机一样，具有良好的调速控制性能，可以通过调节电源电压实现无级调速[4]。

（2.2） （2.3）

2.4无刷直流电机的调速

无刷直流电动机通过调节输入电机的直流平均电压的大小来调节转速。调节方式通常有两种：

(1)脉冲宽度调制PWM(Pulse Width Modulation)方式。

(2)脉冲幅值调制PAM(PulseAmplitude Modulation)方式。

本系统采用的是PWM调节方式，原理就是通过改变输出的PWM控制脉冲的占空比来调节输入电机绕组的平均直流电压，以达到调速的目的。

对于两相导通、星形、三相六状态无刷直流电机，在每一个周期内，每一个功率开关器件导通120°电角度，每隔60°电度角会有两个开关器件进行切换，据此可以采用下面几种不同的PWM调制方式[5]

（1）pwm_on型：在120°导通区间内，各个开关管前60°采用PWM调制，后60°恒通。

（2）on_pwm型：在120°导通区间内，各个开关管前60°恒通，后60°采用PWM调制。

（3）H_on-l_pwm型：在各自的120°导通区间内，上桥臂功率开关管恒通，下桥臂开关通过PWM调制。

（4）H_pwm-L_on型：在各自的120°导通区间内，上桥臂功率开关通过pwm调制，下桥臂开关管恒通。

（5）H_pwm-L_pwm型：在120°的导通区间内，上下桥臂均为PWM调制方式。 方式（1）、（2）、（3）、（4）是半桥调制方式，即在任意一个60°区间内，只有上桥臂或下桥臂开关管进行斩波调制。其中方式（1）和（2）为双管调制方式，即在调制过程中上 或下桥臂的功率开关参与斩波调制。方式（3）和（4）为单管调制方式，即在调制过程中，只有上桥臂或下桥臂的功率开关参与斩波调制。方式（5）为全桥调制 …… 此处隐藏：2737字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……