永磁无刷电动机及系统设计

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1、无刷电机驱动设计西安微电机研究所白新力电话：029-8427668313279361765电子信箱：BXL1963@163.COM概论伺服电动机控制系统即伺服系统（伺服控制技术）是自动化学科中与产业部门联系最紧密、服务最广泛的一个分支。自从第二次世界大战期间雷达和火炮伺服系统出现以来，在近半个世纪中，伺服控制技术及其系统在工业、农业、国防等各个领域都得到了广泛的应用。伺服控制经历了发电机-电动机系统、交磁电机扩大机控制、晶闸管控制、集成电路控制、计算机控制的发展过程，至今已经进入一个全新的鼎盛时期。反映这一时期的现代伺服控制技术及其系统的主要特征，可以概括为：全控型电力

2、电子器件组成的脉冲宽度调制（PWM）技术在伺服功率驱动中的广泛应用；微处理机特别是数字信号微处理器（DSP）在伺服系统中的普遍应用，使得现代控制理论逐渐工程实用化；各种伺服控制元件与线路向着集成化、数字化、功能化、模块化、智能化，以便于计算机控制的方向发展；伺服控制系统的可靠性设计及其诊断技术伴随着系统功能、性能及其复杂化程度的升级而受到人们的普遍重视。永磁无刷电动机系统永磁无刷电动机（BLDCM），采用半导体功率开关器件（晶体管、MOSFET、IGBT、IPM），用霍尔元件、光敏元件等作位置传感器代替有刷直流电机的换向器和电刷部分，以电子换相代替机械换向，从而提高了可

3、靠性。它的外特性和一台有刷直流电动机相似。BLDCM具有普通直流电动机相似的线性机械特性和线性转矩/电流特性，其优点已为人们普遍认识，故应用越来越广泛。永磁无刷电动机由电机和驱动器两部分组成。电机部分的结构是定子上有多相绕组，转子上镶有永久磁铁。因此，永磁无刷电动机可看成是由专门的电子逆变器驱动的有位置传感器反馈控制的交流同步电动机。永磁无刷电动机的电枢绕组同交流电机的绕组一样，采用多相型式，经由驱动器接到直流电源上，定子采用位置传感器实现电子换向，各相依次通电，产生电流，电流和转子磁极的主磁场相互作用，产生转矩。永磁无刷电动机的控制模式分为两大类：方波驱动正弦波驱动方

4、波驱动时，其驱动电流为近似矩形波正弦波驱动时，其驱动电流为正弦波方波驱动永磁无刷电动机工作原理以两相导通星形三相六状态运行说明方波驱动永磁无刷电动机的工作原理。图所示为两极方波驱动三相永磁无刷电动机系统，定子电枢绕组为三相星形联结，位置传感器与电动机同轴连接。控制电路对位置信号进行逻辑变换后产生驱动信号，控制逆变器的功率开关管，使电动机的各相绕组按一定的顺序工作。转子在空间每转过60度电角度，定子绕组就进行一次换流，定子合成磁场的磁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，每相绕组的导通时间对应于转子旋转120度电角度。把永磁无刷电动机的这种工作方

5、式称为两相导通星形三相六状态运行。这是三相方波运行永磁无刷电动机最常用的一种工作方式。观察课件正弦波驱动无刷电动机的工作原理正弦波驱动要求电动机安装高分辨率位置反馈装置，能提供高分辨率和高精度的位置信息，以该位置信息能较精确接近产生正弦波，以强制提供正弦波相电流为特征的电子换相方法。三相绕组正弦波电流产生连续旋转磁场，与转子磁场作用，使电动机转子旋转。观察课件（第四节）通过矢量和相位控制，使电动机的反电势和电流相位相同，A、B、C三相绕组的反电动势和相电流可以表示如下ea、eb、ec为相反电动势；ia、ib、ic为相电流；E为相反电动势有效值；I为相电流有效值；￠为转子

6、转过的角度〔电气角〕。输出电磁转矩Te为电动机的电磁功率可表示为：对一台制造好的电动机，E/Ω为定值。上式表明，正弦波驱动的无刷电动机具有线性的转矩/电流特性，而且瞬态电磁转矩Te与转角￠无关，理论上转矩波动为零。正弦波驱动是一种高性能的控制方式，电流是连续的，理论上可获得与转角无关的恒定输出转矩，实际上可以做到3%以下的转矩波动，有良好的低速平稳性，同时也大大改善了在中、高速大转矩时的特性，但它对电动机设计、转子位置传感器提出了更高要求，驱动器电路更加复杂，成本更高。1无刷电机驱动作用及组成在自动控制系统中，把输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为随动

7、系统，亦称伺服系统。伺服系统的作用在于接受来自上位控制装置的指令信号，驱动被控对象跟随指令运动，并保证动作的快速和准确，这就要求高质量的速度和位置伺服。一般较复杂自动控制系统的精度和速度等技术指标往往取决于其中所使用的伺服电动机控制系统。系统组成方框图开环运行方框图转矩控制系统方框图速度控制系统方框图位置控制系统方框图完整的控制系统方框图伺服电动机主要由转子和定子两大部分组成，在转子上装有特殊形状的永磁体，用以产生恒定磁场。转子上的永磁材料可以用铁氧体或稀土永磁材料。高性能而价格适宜的永磁材料，为提高电动机的伺服性能和实用化提供了条件。由