直流无刷电机.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.58M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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引言

构造和工作原理

定子

图1：梯形反EMF

图2：正弦反EMF

图3： BLDC电机的定子

转子

图4：转子磁体横截面

霍尔传感器

图5： BLDC电机横截面

工作原理

转矩/转速特性

图6：转矩/转速特性

将BLDC电机与其他类型的电机作比较

表1：将BLDC电机与有刷直流电机比较

表2：将BLDC电机与感应电机比较

换向顺序

闭环控制

图7：霍尔传感器信号、反EMF、输出转矩和相电流

图8：按照霍尔传感器的信号给绕组加电的顺序

图9：控制框图

表3：从非驱动端看过去，顺时针方向转动电机的顺序

表4：从非驱动端看过去，逆时针方向转动电机的顺序

反EMF的定义

公式1：

BLDC电机的无传感器控制

图10：无传感器控制框图

为应用选择合适的电机参数

峰值转矩（Tp）要求

公式2：

公式3：

RMS转矩要求（Trms）

公式4：

转速范围

图11：梯形转速曲线

典型的BLDC电机应用

恒定负载应用

变化负载应用

定位应用

总结

附录A：典型的电机技术规范

表A-1：典型的电机技术规范参数

附录B：词汇表

EMF

IGBT

MOSFET

定子

额定转速

角速度

楞次定律

气隙

同步电机

同步转速

异步电机

转差率

转矩

转子

全球销售和服务网点

AN885 无刷直流（BLDC）电机基础定子 BLDC 电机的定子由铸钢叠片组成，绕组置于沿内部圆周轴向开凿的槽中（如图 3 所示）。定子与感应电机的定子十分相似，但绕组的分布方式不同。多数 BLDC 电机都有三个星型连接的定子绕组。这些绕组中的每一个都是由许多线圈相互连接组成的。在槽中放置一个或多个线圈，并使它们相互连接组成绕组。沿定子圆周分布这些绕组，以构成均匀分布的磁极。有两种类型的定子绕组：梯形和正弦电机。以定子绕组中线圈的互连方式为依据来区分这两种电机，不同的连接方式会产生不同类型的反电动势（Electromotive Force，EMF）。更多信息，请参见“反电动势的定义”。正如它们的名称所示，梯形电机具有梯形的反电动势，正弦电机具有正弦形式的反电动势，如图1和图2所示。除了反电动势外，两类电机中的相电流也有梯形和正弦之分。这就使正弦电机输出的转矩比梯形电机平滑。但是，随之会带来额外的成本，这是因为正弦电机中线圈在定子圆周上的分布形式会使绕组之间有额外的互连，从而增加了耗铜量。根据控制电源的输出能力，选择定子的额定电压合适的电机。48 伏或更低额定电压的电机适用于汽车、机器人和小型机械臂运动等应用。100 伏或更高额定电压的电机适用于家用电器、自动化和工业应用。著者： Padmaraja Yedamale Microchip Technology Inc. 引言无刷直流（Brushless Direct Current， BLDC）电机是一种正快速普及的电机类型，它可在家用电器、汽车、航空航天、消费品、医疗、工业自动化设备和仪器等行业中使用。正如名称指出的那样， BLDC 电机不用电刷来换向，而是使用电子换向。BLDC 电机和有刷直流电机以及感应电机相比，有许多优点。其中包括： • 更好的转速－转矩特性 • 快速动态响应 • 高效率 • 使用寿命长 • 运转无噪音 • 较高的转速范围此外，由于输出转矩与电机体积之比更高，使之在需要着重考虑空间与重量因素的应用中，大有用武之地。在本应用笔记中，我们将详细讨论 BLDC 电机的构造、工作原理、特性和典型应用。描述 BLDC 电机时常用术语的词汇表，请参见附录 B：“词汇表”。构造和工作原理 BLDC 电机是同步电机中的一种。也就是说，定子产生的磁场与转子产生的磁场具有相同的频率。BLDC 电机不会遇到感应电机中常见的 “差频”问题。 BLDC 电机可配置为单相、两相和三相。定子绕组的数量与其类型对应。三相电机最受欢迎，使用最普遍。本应用笔记主要讨论三相电机。  2007 Microchip Technology Inc. DS00885A_CN 第 1 页

AN885 图 1：梯形反电动势相 A-B 相 B-C 相 C-A 0 60 120 180 240 300 360 60 图 2：正弦反电动势 0 60 120 180 240 300 360 60 相 A-B 相 B-C 相 C-A DS00885A_CN 第 2 页  2007 Microchip Technology Inc.

图 3： BLDC 电机的定子 AN885 冲压槽定子绕组  2007 Microchip Technology Inc. DS00885A_CN 第 3 页

AN885 转子转子用永磁体制成，可有 2 到 8 对磁极，南磁极和北磁极交替排列。要根据转子中需要的磁场密度选择制造转子的合适磁性材料。传统使用铁氧体来制造永磁体。随着技术的进步，稀土合金磁体正越来越受欢迎。铁氧体比较便宜，但缺点是给定体积的磁通密度低。相比之下，合金材料图 4：转子磁体横截面单位体积的磁场密度高，生成相同转矩所需的体积小。同时，这些合金磁体能改善体积与重量之比，比使用铁氧体磁芯的同体积电机产生的转矩更大。稀土合金磁体有钕（Nd）、钐钴（SmCo）以及钕铁硼铁氧体合金（NdFeB）等。进一步提高磁通密度，缩小转子体积的研究仍在持续进行中。图 4 展示了转子中不同磁体排列的横截面。 S N N S S N N S S N S N N S S N 圆形铁芯，磁极分布在圆周上圆形铁芯，矩形磁极嵌在转子上圆形铁芯，矩形磁极插入转子铁芯中霍尔传感器和有刷直流电机不同，BLDC 电机的换向是以电子方式控制的。要使 BLDC 电机转动，必须按一定的顺序给定子绕组通电。为了确定按照通电顺序哪一个绕组将得电，知道转子的位置很重要。转子的位置由定子中嵌入的霍尔效应传感器检测。多数 BLDC 电机在其非驱动端上的定子中嵌入了三个霍尔传感器。每当转子磁极经过霍尔传感器附近时，它们便会发出一个高电平或低电平信号，表示北磁极或南磁极正经过该传感器。根据这三个霍尔传感器信号的组合，就能决定换向的精确顺序。注：霍尔效应原理：磁场会对位于其中的带电导体内运动的电荷载流子施加一个垂直于其运动方向的力，该力会使正负电荷分别积聚到导体的两侧。这在薄而平的导体中尤为明显。电荷在导体两侧的积累会平衡磁场的影响，在导体两侧建立稳定的电势差。产生这一电势差的过程就叫做霍尔效应，由 E. H. Hall 在 1879 年发现。 DS00885A_CN 第 4 页  2007 Microchip Technology Inc.

AN885 图 5： BLDC 电机横截面定子绕组霍尔传感器转子南磁极附轴转子北磁极霍尔传感器磁体轴的驱动端工作原理每次换向，都有一个绕组连到控制电源的正极（电流进入绕组），第二个绕组连到负极（电流从中流出），第三个处于失电状态。转矩是由定子线圈产生的磁场和永磁体之间的相互作用产生的。理想状态下，转矩峰值出现在两个磁场正交时，而在两磁场平行时最弱。为了保持电机转动，由定子绕组产生的磁场应不断变换位置，因为转子会向着与定子磁场平行的方向旋转。“六步换向”定义了给绕组加电的顺序。详细信息及六步换向的示例，请参见 “换向顺序”一节。图 5 展示了 BLDC 电机的横截面，转子具有相互交替的南北永磁体磁极。霍尔传感器嵌入在电机的静止部分中。将霍尔传感器嵌入定子的过程很复杂，因为这些霍尔传感器相对转子磁体的位置稍有不对齐，都会在判断转子位置时造成错误。为了简化在定子上安装霍尔传感器的过程，有些电机可能除了主转子磁体外，还在转子上安装霍尔传感器磁体，它们的体积比转子磁体小。每当转子转动时，霍尔传感器磁体就会产生和主磁体一样的效果。霍尔传感器通常装在 PCB 电路板上，固定在非驱动端的外壳盖上。这使得用户可以整体调整所有的霍尔传感器，以便与转子磁体对齐，从而获得最佳性能。根据霍尔传感器的位置，有两种输出。霍尔传感器输出信号之间的相移可以是 60° 或 120°。电机制造商据此定义控制电机时应遵循的换向顺序。注：霍尔传感器需要电源。电压范围可以是4伏到 24 伏。所需电流范围为 5 到 15 毫安。设计控制器时，请参见相应的电机技术规范，了解霍尔传感器所用的精确电压和电流范围。霍尔传感器的输出通常采用集电极开路类型。控制器端可能需要上拉电阻。霍尔传感器信号的示例和换向顺序的详细信息，请参见 “换向顺序”。  2007 Microchip Technology Inc. DS00885A_CN 第 5 页

AN885 转矩 / 转速特性图 6 展示了转矩 / 转速特性的示例。有两个转矩参数用于定义 BLDC 电机，峰值转矩（TP）和额定转矩（TR）。（参数的完整列表请参见附录 A：“典型的电机技术规范”。）连续运转时，电机的负载会增加直到达到额定转矩。如前所述，在 BLDC 电机中，转矩在转速达到额定值之前都保持不变。电机运转可达到的最大转速是额定转速的 150%，但从超过额定转速起转矩开始下降。图 6：转矩 / 转速特性峰值转矩 TP 转矩额定转矩 TR 短时转矩区域连续转矩区域那种经常带负载起动、停止和反转的电机应用需要比额定转矩更大的转矩。需要大转矩的时间通常很短，尤其是在电机从静止状态起动以及加速时。在此期间，需要额外的转矩来克服负载和电机本身的惯性。电机只要按转速转矩曲线运转，就能提供更高的转矩，最高可达峰值转矩。要了解如何为某个应用选择这些参数，请参见 “为应用选择合适的电机参数”一节。额定转速最大转速转速 DS00885A_CN 第 6 页  2007 Microchip Technology Inc.

将 BLDC 电机与其他类型的电机作比较与有刷直流电机和感应电机相比，BLDC 电机有许多优点，也有一些缺点。无刷电机需要的维护较少，因此和有刷直流电机相比寿命更长。与同体积的有刷直流电机和感应电机相比， BLDC 电机能产生更大的输出功率。由于转子用永磁体制成，和其他类型的电机相比，转子惯性较小。这就改进了加速和减速特性，缩短了工作周期。其线性的转速 / 转矩特性有助于预测转速调节的结表 1：将 BLDC 电机与有刷直流电机比较 AN885 果。使用无刷电机就无需检修电刷。在维护困难的应用以及检修空间狭小的场合，无刷电机是理想的选择。 BLDC 电机运行时比有刷直流电机安静得多，并且减少了电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）。低电压型号对使用电池供电的应用、便携式设备或医疗应用很理想。表 1 对 BLDC 电机与有刷直流电机之间的比较进行了总结。表 2 比较了 BLDC 电机与感应电机。特性换向维护寿命转速 / 转矩特性效率输出功率 / 体积转子惯性转速范围产生的电子干扰制造成本控制控制要求表 2：特性转速 / 转矩特性输出功率 / 体积转子惯性起动电流控制要求 BLDC 电机根据霍尔位置传感器进行电子换向。由于无电刷而较少需要。较长。有刷直流电机采用电刷换向。需要定期维护。较短。平坦——在负载额定的条件下，可在所有转速下正常工作。高——没有电刷两端的压降。高——由于出众的散热特性而缩小了体积。由于 BLDC 电机将绕组放在了连接至电机外壳的定子上，因而散热更好。中等平坦——转速较高时，电刷摩擦增加，因此减少了有用转矩。中等。中等 / 低——电枢产生的热量散发到气隙中，这使气隙中的温度升高，限制了输出功率 / 体积规范。小，因为转子上有永磁体。这改进了动态响应。较高——无电刷 / 换向器施加的机械限制。低。较高——由于其中有永磁体，制造成本较高。较大的转子惯性限制了动态特性。较低——有电刷的机械限制。电刷中的电弧会对附近设备产生电磁干扰。低。复杂且昂贵。简单且便宜。要保持电机运转，始终需要控制器。还可使用这一控制器控制转速。固定转速不需要控制器；只有需要改变转速时才需要控制器。将 BLDC 电机与感应电机比较 BLDC 电机平坦——在负载额定的条件，可在所有转速下正常工作。高——由于转子采用永磁体，对于给定的输出功率可以实现较小的体积。小——动态特性较佳。额定值——无需专门的起动电路。交流感应电机非线性——低转速下转矩也低。中等——由于定子和转子都有绕组，输出功率与体积之比低于 BLDC。大——动态特性较差。大约是额定值的 7 倍——应谨慎选择合适的起动电路。通常使用星形－三角形起动器。要保持电机运转，始终需要控制器。还可使用这一控制器控制转速。固定转速不需要控制器；只有需要改变转速时才需要控制器。差频定子和转子磁场的频率相等。转子运行频率低于定子，差值即为差频，随着电机负载的增加该差频也增加。  2007 Microchip Technology Inc. DS00885A_CN 第 7 页

控制途径有很多。如果由单片机提供 PWM 信号，可在一次换向的全部时间内使上部的开关保持导通，而相应的下部开关可由适当的 PWM 占空比控制。连接到图 9 中模数转换器通道的电位器用于设置转速基准电压。将根据该输入电压计算 PWM 占空比。闭环控制可通过测量电机的实际转速来对转速进行闭环控制。首先计算设定转速和实际转速间的误差。可以用比例 - 积分 - 微分（Proportional plus Integral plus Derivative， P.I.D.）控制器放大转速误差，动态调整 PWM 占空比。对于低成本、低分辨率的转速要求，可用霍尔信号测量转速反馈。可以用 PIC18FXX31 中的定时器计算霍尔信号两个边沿间的时间，并用该时间计算电机的实际转速。对于高分辨率转速测量，可在电机上安装光电式编码器，它能给出具有 90 度相位差的两个信号。用这些信号可以判定转速和转向。同时，多数编码器还给出第三个索引信号，电机每转动一周发出一个脉冲。它可以用在定位应用中。光电式编码器有不同的每转脉冲数（Pulse Per Revolution，PPR）可选，范围从几百到几千不等。 AN885 换向顺序图 7 展示了霍尔传感器信号相对反电动势和相电流变化的示例。图 8 展示了按照霍尔传感器信号应遵循的切换顺序。图 7 上的序号对应于图 8 中所给的数字。每转过 60 个电角度，其中一个霍尔传感器就会改变状态。因此，完成电周期需要六步。在同步模式下，每转过 60 个电角度相电流切换一次。但是，一个电周期可能并不对应于完整的转子机械转动周期。完成一圈机械转动要重复的电周期数取决于转子磁极的对数。每对转子磁极需要完成一个电周期。因此，电周期数 / 转数等于转子磁极对数。图 9 展示了用于控制 BLDC 电机的控制器的框图。 Q0 到 Q5 是 PIC18FXX31 单片机控制的功率开关。根据电机的电压和电流额定值，这些开关可以是 MOSFET 或 IGBT，也可以是简单的双极性晶体管。表 3 和表 4 展示了根据霍尔传感器输入 A、 B 和 C 切换这些功率开关的顺序。表 3 用于电机的顺时针转动，表 4 用于电机的逆时针转动。文中以彼此之间有 60 度相移的霍尔传感器信号为例。正如我们之前在 “霍尔传感器”一节中讨论的，霍尔传感器彼此之间的相移可以是 60° 或 120°。在选择控制特定电机的控制器时，应遵循电机制造商定义的顺序。参照图 9，如果标有 PWMx 的信号根据该顺序在导通（ON）和关断（OFF）之间切换，则电机将以额定转速运行。这里假设直流母线电压等于电机额定电压加上开关两端的电压损耗。要改变转速，这些信号必须以远高于电机频率的频率进行脉宽调制（Pulse Width Modulated， PWM）。作为一条经验法则， PWM 频率至少应该是电机最高频率的 10 倍。PWM 的占空比在一次换向过程中变化时，提供给定子的平均电压降低，从而降低了转速。 PWM 的另一个好处是，如果直流母线电压比电机额定电压高得多，可通过限制 PWM 占空比对应于电机额定电压的百分比来控制电机。这就增加了灵活性，可使控制器能与具有不同额定电压的电机协同工作，通过控制 PWM 占空比使控制器的平均输出电压与电机额定电压匹配。 DS00885A_CN 第 8 页  2007 Microchip Technology Inc.

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