基于DSP的BLDC调速控制器的设计 - 图文 (4)

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AYFaFrYZAFaZNSCSNX(c)图2-5 永磁无刷直流电动机工作原理示意图

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(a) VT1,VT2导通，A,B相导通 (b) VT1,VT2导通，A,C相导通 (c) VT2,VT3导通，B,C相导通 (d) VT3,VT4导通，B,A相导通

当转子旋转到图2-5（a）所示的位置时，位置检测装置输出的转子位置信号经过控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使功率开关VT1、VT6导通，A、B两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经VT1流入A相绕组，再从B相绕组流出，经VT6回到电源的负极。电枢绕组在空间产生的磁动势Fa如图2-5（a）所示，此时定转子磁场相互作用，使电机的转子顺时针转动。

当转子在空间转过60°电角度，到达图2-5（b）所示位置时，位置检测器输出的位置信号使VT1、VT2导通，A、C两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经VT1流入A相绕组，再从C相绕组流出，经VT2回到电源的负极。电枢绕组在空间产生的磁动势Fa如图2-5（b）所示，此时定转子磁场相互作用，转矩方向不变，使电机的转子继续顺时针转动。

转子在空间每转过60°电角度，逆变器开关就发生一次切换，功率开关的导通逻辑为

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VT1、VT6→VT1、VT2→VT3、VT2→VT3、VT4→VT5、VT4→VT5、VT6→VT1、VT6。在此期间，转子始终受到顺时针方向的电磁转矩作用，沿顺时针方向连续旋转。

在图2-5（a）到图2-5（b）的60°电角度范围内，转子磁场沿顺时针连续旋转，而定子合成磁场在空间保持静止。只有当转子转过60°电角度到达图2-5（b）所示位置时，定子合成磁场才从图2-5（a）的Fa位置跳跃到图2-5（b）的Fa位置。可见，定子合成磁场在空间不是连续旋转的，而是一种跳跃式的旋转磁场，每个步进角是60°电角度。转子在空间每转过60°电角度，定子绕组就进行一次换流，定子合成磁场的状态就发生一次跃变。可见，电机有六种磁状态，每一状态有两相导通，每相绕组导通的时间对应着转子旋转120°电角度。永磁无刷直流电动机的这种工作方式称为两相导通星形三相六状态，这是无刷直流电动机最常用的一种工作方式。

从永磁无刷直流电动机的工作原理可知，转子位置的正确测量对电动机的正常运行起着十分重要的作用，这与一般的永磁同步电动机是不相同的。

2.3永磁无刷直流电动机和正弦波永磁同步电动机

从结构和原理上看，永磁无刷直流电动机就是一台永磁同步电动机。对于永磁同步电动机而言，由于转子结构和永磁体的几何形状不同，转子永磁磁场在空间的分布有正弦波和方波之分，因而在定子绕组中产生的反电动势也有两种波形：正弦波和梯形波。这两种永磁同步电动机在原理、模型、及控制方法上均有所不同。通常将永磁磁场为方波、反电动势为梯形波的永磁同步电动机系统称为永磁无刷直流电动机或简称为无刷直流电动机（BLDC），而将永磁磁场及反电动势波形均为正弦波的永磁同步电动机系统称为永磁同步电动机（Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM）。也有人把它们分别称为方波无刷直流电动机和正弦波无刷直流电动机。从电机特性上看，BLDC基本上具有直流电动机的运行特性，而PMSM具有交流同步电机的运行特性，因此称PMSM为直流电动机似乎并不太准确。

从电机结构上看，BLDC和PMSM没有多大区别，但它们的运行原理是不相同的，因而其控制方法、转矩产生的方式等方面均有很大差异，主要表现在以下几个方面：

1）由于方波磁场可以分解为基波和一系列谐波，可见BLDC的转矩不仅由基波产生，同时也有谐波产生。在相同的体积下，BLDC比PMSM的出力大约增加15%。

2）从理论上讲，BLDC不可能完全消除转矩脉动，而PMSM只要保证各量均为正弦波，就可以消除转矩脉动。

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3）BLDC通常采用集中绕组，以产生梯形波反电动势。而PMSM为了产生正弦波反电动势，需要采用短距分布绕组或分数槽绕组，工艺复杂。

4）BLDC的方波磁场产生相对简单，而PMSM的正弦磁场对磁路的设计和加工要求严格。

5）BLDC的开环运行也必须依靠位置信号，而PMSM无需位置信号即可开环运行。 6）BLDC按照普通直流电动的调速方式调速，实现简单。而PMSM通常采用矢量调速，控制算法复杂，控制器成本高。

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3.永磁无刷直流电机无位置传感器控制

3.1 BLDC无位置传感器控制问题的提出

无位置传感器BLDCM减少了位置传感器，因而电机结构简单，体积小、可靠性高。当电机体积较小、位置传感器难以安装或工作环境恶劣以至于位置传感器无法正常工作时，无位置传感器BLDCM就更加显示其独特的优越性[6,9]。

所谓无位置传感器，应该是无机械的位置传感器，在电机运转过程中，作为逆变桥功率器件换相导通时序的转子位置信号仍然是需要的，只不过这种信号不再是由位置传感器来提供，而是由新的位置信号检测电路来代替，即以提高电路和控制的复杂性来降低电机的复杂性。位置传感器变为位置检测电路就是无位置无位置传感器无刷直流电机。

前面一章分析了有位置传感器无刷直流电机的结构和运行原理，它的定子绕组的换流时刻是由位置传感器的信号决定的，而无位置传感器无刷直流电机主要是依靠电机的电压和电流信息间接的获得转子磁极的位置信号，进而控制绕组的换流顺序和时刻。目前，比较常用的无位置传感器位置检测方法有5种：

（1）反电动势法。 （2）定子三次谐波检测法。 （3）续流二极管工作状态检测法。 （4）瞬时电压方程法。 （5）状态观察法。

本文系统采用的是最常用的传统的反电动势法。

3.2反电势法

目前，反电动势过零点法[16,26]是技术是应用最广泛、最成熟的转子位置检测方法。适用于三相六状态、绕组星型联结、120°两两通电方式。其原理为：在无刷直流电机稳态运行时、忽略电机电枢反应的前提下，通过检测关断相反电动势的过零点来获得永磁转子的关键位置信号，从而控制绕组电流的切换[1]。

掌握反电势检测法首先要明确以下两点：

（1）反电动势检测的基础是由于BLDC 电机采用两相导通模式，因此不导通的第三相就可以来检测反电动势的大小。如下图3-1所示。

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图3-1 三相输出电压

（2）为了检测反电势，必须满足以下两个条件：

1） 处于对角线上的两个桥臂上的功率开关（一个上管、一个下管）都被同一个PWM信号驱动。

2）另外一个用于检测反电动势的桥臂没有电流流过。

反电势法是目前最成熟的转子位置无传感器检测方法，其原理是通过探测定子绕组中的反电势来实现转子位置的离散检测，以保证换向的正确进行。具体可以分为如下几种：

1．反电势过零检测法

这种方法是通过检测定子绕组未导通相的反电势过零点来确定转子的位置，以便发出相应的切换信号。主电路为三相桥式全控星形连接的无刷直流电动机的等效电路如图3-2所示，在二二导通方式下，各导通管脚、绕组电流及反电势波形如图3-3所示。在图3-3中我们看到，功率管的切换发生在反电势过零后延迟30°的地方。因此，只要检测出了反电势过零点，就能正确进行功率管的切换。

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图3-2 永磁无刷直流电动机等效电路

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