无刷直流电机电流滞环控制策略仿真

江苏科技大学本科毕业设计（论文）

所以在其基本结构的无刷直流电动机，可以认为是由电子开关电路，永磁同步电机和位置传感器的电机系统。其原理框图如图2-2所示。

图2-2 无刷直流电动机的原理框图

无刷直流电动机转子永久磁铁的相似性于有刷直流电动机内部定子上永久磁铁的作用，可以产生足够的气隙磁场的直流电动机是用来产生电磁转矩，从而驱动电动机运行[11]。

2.1.2 电子开关电路

无刷直流电动机有电子开关电路，它在电机内部起到换向器的作用，它控制电机定子每相绕组关断与导通时间和电机定子每相绕组的传导。无刷直流电动机的电子开关电路主要由两部分组成，包括位置传感器的信号处理单元和电源开关逻辑单元，除此开关逻辑单元是来控制电机电路的关键。首先，为了使无刷直流电机恒转矩，使用功率开关逻辑单元，并将电源电流按逻辑关系，分配给无刷直流电机的定子每个绕组。其次，利用位置传感器采集电机定子各相绕组的顺序和时间进行数据信息。位置传感器中产生的是电信号，其不能直接用来控制功率逻辑开关单元，还需将该电信号经过一定逻辑处理才行。总之，无刷直流电动机的组成框图，如图2-3所示[12]。

7

江苏科技大学本科毕业设计（论文）

图2-3 无刷直流电动机的组成框图

2.1.3 位置传感器

无刷直流电机采用电子换向器更换直流有刷电机的机械换向装置。 在结构上，电枢绕组存在于直流无刷电机的定子上而在有刷直流电动机的转子上。永磁磁极存在于直流无刷电机的转子上而在有刷直流电动机的定子上。在正常情况下，直流电源通过电子换向装置无定子电枢绕组磁场电源直流电机，电机内部有一定的位置。

通常情况下，供电的直流电源经过电子换向装置来给无刷直流电动机上的定子绕组供电，只能在电动机内部的某些位置产生固定的电枢磁场。该电枢磁场与电动机内转子所产生的永磁旋转磁场相互作用获得电磁转矩，但该电磁转矩不是一个稳定的数值，有很大的波动。要想使无刷直流电动机能够在正反转运行中实现平稳连续的转动，必须要在电动机内部添加位置传感器，由位置传感器来跟踪转子的位置从而来确定定子绕组的正确换相。无刷直流电动机除了电动机本体和电子开关线路还需要位置传感器，通过转子上的位置传感器来控制电子开关线路的关断和导通。位置传感器实现了电动机定子绕组的正确换相，并使得定子绕组所产生的电枢磁场与永磁转子所产生的旋转磁场在电动机内部空间上形成90?，从而获得最大的电磁转矩，驱动电机转动[13]。

位置传感器由两部分组成，其中包括位置传感器定子以及位置传感器转子。

8

江苏科技大学本科毕业设计（论文）

定子属于电动机的静止部分，而转子属于运动部分。目前，位置传感器已有了很多种类，以转子上的位置传感器为例就有耦合式、谐振式、敏感式和接近式等种类。

耦合式是指电动机内部变压器耦合和高频空心线圈耦合的状态。

谐振式是指采用电容和电感等元件形成的谐振电路。在该谐振电路中，满足一定的谐振条件，位置传感器的输出信号将能够达到最强，再通过控制电子开关线路来实现定子电枢绕组的关断和导通。

敏感式位置传感器从字面上可知即采用敏感元件制成的位置传感器，该位置传感器能够采集电动机转子的位置信息，并通过输出电信号来控制电子开关线路以及定子电枢绕组各相的导通顺序。常用的敏感元件有光敏元件和磁敏元件等。我们经常用到的光敏元件和磁敏元件有光电二极管、霍尔元件等[14]。

2.2 无刷直流电机的工作原理

定子在有刷直流电动机由永磁体组成，其主要作用是在电动机气隙中产生磁场。有刷直流电动机中转子电枢绕组通电后产生电枢磁场，再通过电刷的换向作用，使得其与永磁定子所产生的气隙磁场相互保持垂直，从而获得最大的电磁转矩来驱动电动机连续地转动。相反，采取无刷机械换向器的直流无刷电机，转子由永磁体构成磁极，定子形成电动机定子电枢绕组。但只能做这些改变是不够的，在定子电枢各相绕组的直流供电电源只能产生固定的气隙磁场，气隙磁场不能与永磁转子的磁场相互作用产生电磁转矩按照恒定方向驱动电机的运转。因此，除了电机本体由定子电枢绕组以及永磁转子，无刷直流电机也需要位置传感器和电子开关电路。气隙磁场会产生于使用电子换向器的直流无刷电机定子电枢绕组和转子永磁磁场彼此(?/2)rad左右的电角度。从而形成恒定方向的最大的电磁转矩来驱动电动机运转[15]。

以三相星形绕组无刷直流电机控制的半桥电路为例，说明其工作原理及特点。图2-4为三相无刷直流电动机电路原理图。在该电路图中的位置传感器采用光敏元件VP1、VP2、VP3，而功率逻辑单元由三只功率晶体管V1、V2和V3构成。图2-4观察可以看出，三只有感光元件VP1，VP2，VP3不同的安装位置，均匀地分布在电机端。无刷直流电动机的转子转轴上安装了遮光板。在光源照射

9

江苏科技大学本科毕业设计（论文）

在旋转的遮光板上时，光线在没有遮光板遮挡的情况下穿过照射在光敏元件上。光敏元件依次得到光源照射时会产生响应信号，通过该响应信号就可判断电动机转子磁极所在的位置。

图2-4 三相绕组无刷直流电动机

从图2-4中可看出，一个角度大约为240?大半圆形的遮光板遮挡住了光敏元件VP2和VP3，只有光敏元件VP1被光源照射。被光源照射的光敏元件VP1产生一个电压信号促使晶体管V1导通。定子绕组A-A'和外接直流电源形成闭合回路，定子绕组A-A'在电流的功用下形成电枢磁场并与永磁转子所构成的磁场相互作用形成电磁转矩使转子顺时针旋转。遮光板随着转子的转动也相应转动，当转子顺时针转过120?时，遮光板则逆时针转过120?，此时转子转至图2-5b所示的位置，遮光板遮住了光敏元件VP1和VP3，光敏元件VP2被光源照射。被光源照射的光敏元件VP2也产生一个电压信号促使晶体管V2导通。定子绕组B-B'和外接直流电源形成闭合回路，定子绕组A-A'上的电流断开而流入定子绕组B-B'。定子绕组电流流过绕组B-B'由电枢磁场的作用下，形成了以永磁转子磁场相互作用产生电磁转矩的转子顺时针转动。所以，当转子在转子位置顺时针旋转

120?，如图所示的2-5c，遮光板转动120?，遮光板覆盖感光元件VP1和VP2，

光敏元件VP3被光源照射。被光源照射的光敏元件VP3也产生一个电压信号促使晶体管V3导通。定子绕组B-B'上的电流断开而流入定子绕组C-C'。定子绕组

10