三相无刷直流电机系统结构及工作原理
2.1 电机的分类
电机按工作电源种类可分为： 1. 直流电机：
(1) 有刷直流电机：①永
磁直流电机：
·稀土永磁直流电动机； ·铁氧体永磁直流电动机； ·铝镍钴永磁直流电动机； ②电磁直流电机： ·串励直流电动机； ·并励直流电动机； ·他励直流电动机； ·复励直流电动机； (2) 无刷直流电机： 稀土永磁无刷直流电机； 2. 交流电机： (1) 单相电动机； (2) 三相电动机。 2.2 无刷直流电机特点
·电压种类多 : 直流供电交流高低电压均不受限制。 ·容量范围大 : 标准品可达 400Kw更大容量可以订制。
·低频转矩大 : 低速可以达到理论转矩输出启动转矩可以达到两倍或更高。 ·高精度运转 : 不超过 1 rpm.( 不受电压变动或负载变动影响 ·高效率 : 所有调速装置中效率最高比传统直流电机高出 ·过载容量高 : 负载转矩变动在 200%以内输出转速不变。 ·体积弹性大 : 实际比异步电机尺寸小可以做成各种形状。 ·可设计成外转子电机 ( 定子旋转 ) 。 ·转速弹性大 : 可以几十转到十万转。
·制动特性良好可以选用四象限运转。
·可设计成全密闭型 IP-54IP-65 防爆型等均可。 ·允许高频度快速启动电机不发烫。
·通用型产品安装尺寸与一般异步电机相同易于技术改造。 ·调速范围 : 简易型 / 通用型 (1:10) 高精度型 (1:100) 伺服型。
) 。 5～30%。
2.3 无刷直流 机的 成
直流无刷 机的 构如 2.1 所示。它主要由 机本体、 位置 感器和 子开关 路三部分 成。 机本体在 构上与永磁同步 机相似， 但没有 型 和其他起 装置。 其定子 一般制成多相 （三相、四相、无相不等）， 子由永久磁 按一定极 数（ 2p=2,4 ，⋯） 成。
图 2.1
直流无刷电动机的结构原理图
当定子 的某一相通 ， 流与 子永久磁 的磁极所 生的磁 相互作用而 生的 矩， 子旋 ， 再由位置 感器将 子磁 位置 成 信号，去控制 子开关 路， 从而使定子各相 按一定 序 通， 定子相 流随 子位置 子位置的 化而按一定的次序 相。 由于 子开关 路的 通次序
是与 子 角同步的，因而起到了机械 向器的 相作用。如
2.2 所示。
图 2.2
无刷直流电动机基本结构图
因此，所 直流无刷 机， 就其基本 构而言， 可以 是一台由 子开关 路、永磁式同步 机以及位置 感器三者 成的“ 机系 ” 。其原理框 如 2.3 所示。
直流电源
开关电路 电动机
位置传感器
图 2.3
直流无刷电动机的原理框图
位置传感器在直流无刷电动机中起着测定转子磁极位置的作用， 为逻辑开关电路提供正确的换相信息， 即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号， 然后去控制定子绕组换相。 位置传感器种类较多， 且各具特点。 在直流无刷电动机中常见的位置传感器有以下几种： 电磁式位置传感器、 光电式位置传感器、 磁敏式位置接近传感器 【 3】。
2.4 基本工作原理
众所周知，一般的永磁式直流电动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。 其电枢绕组通电 后产生反应磁场。 由于电刷的换向作用， 使得这两个磁场的方向在直流电动机运 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动机不停地运转。 直 流无刷电动机为了实现无电刷换相， 首先要求把一般直流电动机的电枢绕组放在 定子上，把永磁磁钢放在转子上， 这与传统直流永磁电动机的结构刚好相反。
但
仅这样做还是不行的， 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，它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，直流无刷电动机除了由定子和转子组成电动机本体 以外，还要由位置传感器、 控制电路以及功率逻辑开关共同构成的换相装置， 得直流无刷电动机在运行过程中定子绕组所产生的的磁场和转动中的转子磁钢 产生的永磁磁场，在空间始终保持在（π 2.5 无刷直流电机参数
/2 ） rad 左右的电角度。
使
本系统采用的无刷电机参数 ·额定功率： 100W ·额定电压： 24V（DC） ·额定转速： 3000r/min ·额定转矩： 0.23N?m ·最大转矩： 0.46N?m ·定位转矩： 0.01N?m ·额定电流： 4.0A ·最大电流： 8.0A
·极 数： 4 ·霍 感器位置呈
60°放置
2.6 三相无刷 机主 路及工作方式
无刷直流 机有多相 构， 每种 机可分 半 和全 ， 全 又可分 星形 和三角形 以及不同的通 方式。 因此，不同的 会使 机 生不同的性能和成本， 是每一个 用系 者都要考 的 。 下面做一下 比。
（1） 的利用率。与普通直流 机不同，无刷直流 机的 是断 通 的。适当地提高 通 利用率可以使同 通 体数增加，使 阻下降，提高效率。从 个角度来看，三相比四相好，四相比无相好，全 比半 好。
（2） 矩的波 。无刷直流 机的 出 矩波 比普通直流 机的大，因此希望尽量减小 矩波 。 一般相数越多， 矩的波 越小。 全 比半 矩的波 小。
（3） 路的成本。相数越多， 路所使用的开关管越多，成本越高。
全 比半 所使用的开关管多一倍， 因此成本要高。 多相 机的 构复 ，成本也高 【9】
。
Y） 全控 路，如 2.4 。
合上述分析，本系 采用三相星形（
图 2.4
三相星形（ Y）联结绕组三相全控桥式电路
片机 入控制信号到 LM621的 入端，通 内部 之后控制信号被加 到功率 MOSFET的 极，通 控制信号 MOSFET的开关， 只要 片机控制好各相 出的相位关系在 子 到合适的位置后 行 相， 就能在 片机端口 出 TTL 平的 候 出端将高 信号直接加 到无刷直流 机的相 相的 上。
在三相逆 路中， 用最多的是如 2.4 所示的三相 式全控逆 路。在 路中， 机的三相 星形（ Y） 。 VF1、VF2、⋯、 VF6 六只MOSFET功率管，起 的开关作用。他 的通 方式又可分 两两 通和三三 通两种方式。
1. 两两通 方式
所 两两 通方式是指每一瞬 有两个功率管 通，每隔 1/ 6 周期（ 60° 角度） 相一次，每次 相一个功率管，每一功率管 通 120° 角度。各功
率管的 通 序是 VF1VF2、 VF2VF3、VF3VF4、VF4VF5、 VF5VF6、 VF6VF1、⋯。当功率管 VF1和 VF2 通 ， 流从 VF1管流入 A 相 ，再从 C相 流出， VF2管回到 源。如果 定流入 的 流所 生的 矩 正， 那么从 流
出所 生的 矩 ，它 合成的 矩如 2.5 （ a）所示，其大小 3 Ta，方向在 Ta 和－ Tc 的角平分 上。当 机 60°后，由 VF1VF2通 成 VF2VF3
通 。 ， 流从 VF3流入 B 相 再从 C相 流出， VF2回到 源，此 合成的 矩如 2.5 （b）所示，其大小同 3 Ta。但合成 矩 Tbc 的方向 了 60° 角度，而后每次 相一个功率管，合成 矩矢量方向就随着
60° 角度，但大小始 保持 3 Ta 不 。 2.5 （c）示出了全部合成 矩的方向。
图 2.5 星形（ Y ）联结绕组两两通电时的合成转矩矢量图
（ a） VF1、 VF2导通时合成转矩； （ b） VF2、V F3 导通时合成转矩；
（ c）两两通电时合成转矩矢量图
所以，同 一台无刷直流 机， 每相 通 与三相半控 路同 的 流 ，采用三相星形（ Y） 全控 路，在两两 相的情况下，其合成 矩增加
了 3 倍。每隔 60° 角度 向一次， 每个功率管通 120°，每个 通 240°，其中正相通 和反相通 各 120°，其 出 矩波形如 2.6 所示。由 2.6 可以看出，三相全控 的 矩波 比三相半控 小得多。
如将三只霍 感器按相位差 120°安装， 它 所 生的波形如 2.（7 a）所示。其 相的控制 路可由一片 74LS138 型 3－8 器和 74LS09、 74LS38 两片 路构成，本系 采用无刷直流 机 用集成芯片 LM621 控制，如 2.7（b）所示。
图 2.6
全控桥输出波形图
（ a）
(b)
图 2.7 全控桥两两通电电路原理示意图
（ a）传感器输出波形；（ b）原理示意图
2. 三三通 方式
所 三三通 方式，是指每一瞬 均有三只功率管同 通 ，每隔60°
相一次，每个功率管通 180°。它 的 通次序是 VF1VF2VF3、VF2VF3VF4、VF3VF4VF5、VF4VF5VF6、VF5VF6VF1、VF6VF1VF2、VF1VF2VF3、⋯。 当 VF6VF1VF2 通 ， 流从 VF1流入 A 相 ， B 相和 C 相 （ B、C两相 并 ）分 从 VF6 和 VF2 流出。 流 B 相和 C 相 的 流分 流 A 相 的 1/2 ，其合成 矩如 2.8 （a）所示，其方向与 A 相相同，而大小
1.5Ta 。 60° 角度后， 相到 VF1VF2VF3通 ，即先关断 VF6而后 通 VF3 （注意，一定要先关 VF6 而后通 VF3，否 就会出 VF6和 VF3同 通 ， 源被短路， 是 不允 的） 。 流分 从 VF1和 VF3流入， A 相和 B 相 （相当于 A 相和 B 相并 ）再流入 C
相 ， VF2流出，合成 矩如
2.8 （ b）所示，其方向与 -C 相同， 子再 60° 角度后大小仍 1.5Ta 。再 60° 角度后， 相到 VF2VF3VF4通 ，而后依次 推，循 往复。它 的合成 矩矢量 如 2.8 （c）所示。
图 2.8 三三通电时的合成转矩矢量图
（ a） VF6VF1VF2导通时合成转矩； （ b） VF1VF2VF3导通时合成转矩；
（ c）三三通电时的合成转矩
在 种通 方式里，每瞬 均有三个功率管通 。每隔 60° 相一次，每次有一个功率管 相，每个功率管 通 180°。从某一相上看，星形（ Y） 三三通 方式一相 波形如 2.9 所示。
图 2.9 星形（ Y）联结三三通电方式一相电压波形
此外，根据直流侧电源性质的不同可分为两种： 直流侧是电压源的称为电压型逆变电路， 直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。 它们各有特点， 本系统使用电压型逆变电路，它有以下特点：
（1）直流侧为电压源，或接有大电容，相当于电压源，直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。
（2）由于直流电压源的钳位作用，交流侧电压波形为矩形波，并且与阻抗角无关，而交流侧电流波形和相位因负载阻抗角而异。
（3）当交流侧为阻感性负载时需提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能
量的作用，为了给交流侧反馈的无功能量提供通道， 逆变桥给臂都并联反馈二极管 【8】。
电压型逆变电路主要用于两方面：
①笼式交流电动机变频调速系统。 由于逆变电路只具有单方向传递电能的功能，故比较适用于稳态运行、无需频繁起制动和加、减速的场合。
②不停电电源。该电源在逆变入端并接蓄电池，类似于电压源。
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