本科毕业论文---永磁无刷直流电机矢量控制系统实现正文

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第二章 无刷直流电机的工作原理以及数学模型

2.1 无刷直流电机结构

无刷直流电机由电动机主体，控制器和转子传感器组成，是一种典型的机电一体化产品。其框图如图：

图2.1 无刷直流电机的构成框图

2.1.1 电动机主体

直流无刷电机的电机本体的主要特点是采用永磁转子，转子磁钢由稀土永磁材料

构成，具有较强的矫顽力和高密度的剩余磁通；另一方面，稀土永磁材料的磁导率接近空气，对电机直、交轴磁阻均较大，可以减小电枢反应；而定子结构则于交流感应电动机的相似，都是采用三相或二相绕组；直流无刷电机的电机本体通常采用整距叠绕组制作定子绕组，针对极对数较多的情况，采用分数槽绕组方式。单一绕组的转矩波动比较大，但是用户一般对无刷电机的转矩要求较高，通常为了获得较为平稳的转矩而采用多相绕组结构。转子由永久性磁材按一定偶数对的极对数组成，其结构有很多种，常用的有永磁环直接套在转轴上、在导磁铁心里嵌上永磁体等。 2.1.2 控制器

控制器的功能是完成电子换向功能，由功率逻辑开关电源和位置传感器信号处理单元组成，将检测到的位置信号进行处理，按照一定的逻辑顺序去触发功率开关器件，使电动机本体产生持续不断的转矩。功率逻辑开关模块是电机控制系统的核心，其功能是将电源所提供的电能按照一定的逻辑关系分配给无刷直流电机定子上的各相绕组，从而使电动机产生连续的转矩。速度和电流信号采集、处理模块所输出的信号决定各相绕组导通的顺序和通断时间。 2.1.3 位置传感器

转子位置传感器主要是通过检测实际的转子磁极位置为控制器提供正确的换向

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信息。转子位置传感器主要是通过检测实际的转子磁极位置为控制器提供正确的换向 信息。常用的位置传感器有光电式、电磁式和磁敏式三种； (1)磁敏式位置传感器

控制系统中所用的霍尔位置传感器是一种磁敏式位置传感器，它是利用霍尔效应制成的一种半导体器件，该传感器安置于外磁场中，在通电的情况下即可产生霍尔效应输出霍尔电势信号；如果没有外部磁场的作用，该传感器也不能发挥作用。 霍尔位置传感器体积较小、制造结构简单、可靠性较高、价格相对比较低， 但是其抗干扰能力较差，受工作环境的温度影响比较大，因此，该传感器一般应 用于对性能要求不高和环境适宜的场合。 (2)光电式位置传感器

光电式位置传感器由光电耦合开关和遮光板组成，其中，光电耦合开关沿圆周均匀分布，并且固定在定子上。每只光电耦合开关都是有红外发光二极管以及 光敏三极管组成，并且它们相互对称：在两者之问安装了带有窗口的遮光盘，这 种盘上的窗口都有一定的角度。

这种位置传感器具有抗干扰能力强、轻巧便于安装、调整更换较为方便等优点，其缺点为对环境要求高、输出信号需处理。 (3)电磁式位置传感器

电磁式位置传感器由定子和跟踪转子两部分组成，定子一般用硅钢片或者用高频铁氧体材料压铸而成，一般有磁芯、高频激磁输入绕组和输出绕组三部分组成；跟踪转子的外观为一圆柱体，其由非导磁材料制作而成，一般有扇状形式的磁芯和不具有导磁性质的衬套两部分组成。

这种传感器输出的信号比较强、工作性能相对可靠、具有较长的使用寿命长、对于应用环境场合要求不高、具有较强的适应性、物理结构紧凑可承受较大的振动冲击等；但是，这种传感器信噪比较低、体积较大，同时其输出波形为交流，一般需经整流、滤波后才可以使用，因而限制该传感器的使用范围。

2.2 无刷直流电机工作原理

无刷直流电机的工作原理以图 2-2 和图 2-3 所示为例说明。

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图2.2 永磁无刷直流电机系统图

图2.3 无刷直流电机工作原理示意图

图 2-2 中 BLDCM 表示三相两极无刷直流电机本体，PS 为转子位置传感器，其 与电机转轴一同旋转，主电路采用三相逆变桥供电，由 V1-V6 六个功率开关器件与 A、B、C 三相绕组连接。通过检测转子的位置，经控制电路对转子信号进行逻辑变 换后产生脉宽调制 PWM 信号，驱动电路对 PWM 信号的放大后控制开关器件的开通 与关断让各相绕组按照一定顺序通电，从而保证电机连续旋转。下面以两相导通三 相星形六状态无刷直流电机为例说明其工作原理。

如图 2-3（a）所示，通过转子位置传感器感应出转子的位置信号，经控制逻辑变换后驱动逆变器的开关器件 V1 和 V6 导通，此时绕组 AB 通电，而且为 A 进 B 出， 经右手螺旋定则可判定电枢绕组在空间的合成磁势 Fa 如图中所示。定子磁势 Fa 与 转子磁势 Ff的相互作用，拖动转子以顺时针方向进行旋转。该过程中电流的流经的

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途径为：E+→V1 管→A 相绕组→B 相绕组→V6 管→E-。 当转子转过 60°电角度时，到达的位置如图 2-3（b）所示。由于转子位置的不同导致驱动的开关器件也不同，此时导通的开关器件为 V1 和 V2，与 V1 和 V2 连接的AC 两相绕组通电，A 进 C 出，电枢绕组合成的气隙磁势 Fa 如图中所示。定子磁势Fa 与转子磁势 Ff的相互作用继续拖动转子以顺时针方向进行旋转。该过程中电流的流经的途径为：E+→V1 管→A 相绕组→C 相绕组→V2 管→E-。为使转子磁场始终受定子合成磁场的牵引并按顺时针方向连续旋转，转子每当转过 60°电角度时，逆变器 中 的 开 关 器 件 要 轮 换 导 通 ， 其 导 通 的 逻 辑 为 V2V3 →V3V4→V4V5→V5V6→V1V6→V1V2……，依次循环。

2.3 无刷直流电机的基本方程

理想的无刷直流电机反电动势是梯形波，本文在静止的 A-B-C 三相坐标系上以两相导通星形三相六状态为例，在分析无刷直流电机工作原理的基础上建立了它的动态数学模型。为了简化模型便于分析，在不影响分析结果的前提下，特做出下面的假定条件：

（1）假定气隙磁场是理想状态下按照平顶部分为 120°电角度梯形波分布的。 （2）假定磁路不饱和，不计涡流损耗和磁滞损耗。 （3）忽略齿槽效应和电枢反应。

（4）逆变电路中功率开关管以及续流二极管都有理想开关特性。 （5）三相绕组的参数都对称。

则根据无刷直流电机的特性，可得到如下电压、转矩和运动状态方程。 （1）电压方程

根据电机学原理，绕组可等效为纯电阻和纯电感的串联，故电机绕组上的电 压是电阻压降和电感感应电动势之和，任意绕组的电压方程为： ux其中，

ux ——相绕组电压； Rx ——每相绕组的电阻； ix ——流过绕组的电流；

ex ——每相绕组的感应电动势，其中ex? ?x ——每相绕组的磁链。

每相绕组的磁链包括自身电流产生磁通交链的磁链、其他相电流产生磁通交链

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