直流無刷電動機(jī)原理與控制
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磁阻效應(yīng)是指元件的電阻值隨磁感應(yīng)強(qiáng)度而變化，根據(jù)磁阻效應(yīng)制成的傳感器叫磁阻電阻。
三相直流無刷電動機(jī)的運(yùn)行特性
要十分精確地分析直流無刷電動機(jī)的運(yùn)行特性，是很困難的。一般工程應(yīng)用中均作如下假定：
（1）電動機(jī)的氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度沿氣隙按正弦分布。
（2）繞組通電時，該電流所產(chǎn)生的磁通對氣隙所產(chǎn)生的影響忽略不計。
（3）控制電路在開關(guān)狀態(tài)下工作，功率晶體管壓降 為恒值。
（4）各繞組對稱，其對應(yīng)的電路完全一致，相應(yīng)的電氣時間常數(shù)忽略不計。
（5）位置傳感器等控制電路的功耗忽略不計。
由于假設(shè)轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度在電動機(jī)氣隙中是按正弦規(guī)律分布的，即B=BMsinθ 。這樣，如果定子某一相繞組中通一持續(xù)的直流電流，所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為
TM=ZDLBMrIsinθ
式中， ZD——每相繞組的有效導(dǎo)體數(shù)；
L——繞組中導(dǎo)線的有效長度，即磁鋼長度；
r——電動機(jī)中氣隙半徑；
I——繞組相電流。
就是說某一相通以不變的直流后，它和轉(zhuǎn)子磁場作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也將隨轉(zhuǎn)子位置的不同而按正弦規(guī)律變化，如圖5所示。
圖5 在恒定電流下的單相轉(zhuǎn)矩
它對外負(fù)載講，所得的電動機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩為零。但在直流無刷電動機(jī)三相半控電路的工作情況下，每相繞組中通過1/3周期的矩形波電流。該電流和轉(zhuǎn)子磁場作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也只是正弦轉(zhuǎn)矩曲線上相當(dāng)于1/3周期的一段，且這一段曲線與繞組開始通電時的轉(zhuǎn)子相對位置有關(guān)。顯然在圖6 a所示的瞬間導(dǎo)通晶體管，則可產(chǎn)生最大的平均轉(zhuǎn)矩。因?yàn)樵谶@種情況下，繞組通電120度的時間里，載流導(dǎo)體正好處在比較強(qiáng)的氣隙磁場中。所以它所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動脈動最小，平均值較大。習(xí)慣上把這一點(diǎn)選作晶體管開始導(dǎo)通的基準(zhǔn)點(diǎn)，定為
。在
=0度的情況下，電動機(jī)三相繞組輪流通電時所產(chǎn)生的總轉(zhuǎn)矩如圖6b 所示。
圖6 三相直流無刷電動機(jī)半空橋轉(zhuǎn)矩
如若晶體管的導(dǎo)通時間提前或滯后，則均將導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩的脈動值增加，平均值減小。當(dāng)
=30度時，電動機(jī)的瞬時轉(zhuǎn)矩過零點(diǎn)，這就是說，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到某幾個位置時，電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為零，電動機(jī)起動時會產(chǎn)生死點(diǎn)。當(dāng)
≥30度后，電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的瞬時值將出現(xiàn)負(fù)值，則總輸出轉(zhuǎn)矩的平均值更小。因此，在三相半控的情況下，特別是在起動時， 不宜大于30度，而在直流無刷電動機(jī)正常運(yùn)行時，總是盡力把
角調(diào)整到0度，使電動機(jī)產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)矩最大。當(dāng)
=0度時，可以求得輸出轉(zhuǎn)矩的平均值 ：
電動機(jī)在電動轉(zhuǎn)矩的作用下轉(zhuǎn)動后，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁場就要切割定子繞組，在各相繞組上感生出電動勢，當(dāng)其轉(zhuǎn)速n不變時，該電動勢波形也是正弦波，相位同轉(zhuǎn)矩相位一致。在本電路中，每相繞組在一個周期中只通電 ，因此僅在這 期間對外加電壓起作用。所以對外加電壓而言，感生電動勢波形如圖7所示。
圖7 三相直流無刷電動機(jī)半控電路的反電動勢
同理可按下式求得感生電動勢的平均值 ：
從上面的平均轉(zhuǎn)矩和平均反電動勢，便可求得直流無刷電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時的電壓平衡方程式，為此首先定義反電動勢系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)：
對于某個具體的電動機(jī)，它們?yōu)槌?shù)。當(dāng)然，其大小同主回路的接法以及功率晶體管的換相方式有關(guān)。
直流無刷電動機(jī)三相半控橋的電壓平衡方程組為：
其中 ，
，
，將其代入上式整理后，可得其機(jī)械特性方程為
式中 n——電動機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min ）；
U——電源電壓（V）；
△U—— 功率管管壓降（V）；
Kc——電動勢系數(shù)；
Ta——電動機(jī)產(chǎn)生的電動轉(zhuǎn)矩平均值（N?m）；
KT——轉(zhuǎn)矩系數(shù)；
R——電動機(jī)的內(nèi)阻（Ω）。
在三相半控電路中，其轉(zhuǎn)矩的波動在TM 到TM/2 之間，這是直流無刷電動機(jī)不利的一面。
三相直流無刷電動機(jī)的應(yīng)用
三相半控電路
常見的三相半控電路如圖8所示，圖中LA、LB、LC為電動機(jī)定子A、B、C三相繞組，VF1、VF2、VF3為三只MOSFET功率管，主要起開關(guān)作用。H1、H2、H3為來自轉(zhuǎn)子位置傳感器的信號。如前所述，在三相半控電路中，要求位置傳感器的輸出信號1/3周期為高電平，2/3周期為低電平，并要求各傳感器信號之間的相位也是1/3周期。
圖8 三相半控橋電路
和一般電動機(jī)一樣，在電動機(jī)起動時，由于其轉(zhuǎn)速很低，故轉(zhuǎn)子磁通切割定子繞組所產(chǎn)生的反電動勢很小，因而可能產(chǎn)生過大電流I。為此，通常需要附加限流電路，圖9為常見的一種，圖中的電壓比較器，主要用來限制主回路電流，當(dāng)通過電動機(jī)繞組的電流I在反鎖電阻Rf上的壓降IRf大于某給定電壓U0時，比較器輸出低電平，同時關(guān)斷了VF1、VF2、VF3 三只功率場效應(yīng)晶體管，即切斷了主電路。當(dāng)IRf《U0時，比較器不起任何作用。當(dāng)IRf〈U0時，比較器輸出高電平，這時它不起任何作用。I0=U0/Rf 就是所要限制的電流最大值，其大小視具體要求而定。一般取額定電流的2倍左右。
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