bldc以及霍尔位置传感器驱动设计ppt课件.ppt

PMSM的问题的问题n n控制比直流伺服电机要复杂的多；控制比直流伺服电机要复杂的多；n n要想实现力矩控制，必需有角位置传感器，以丈要想实现力矩控制，必需有角位置传感器，以丈量量d-qd-q坐标系的旋转角；坐标系的旋转角；n n反电势必需是正弦波的，这对电机制造及工艺提反电势必需是正弦波的，这对电机制造及工艺提出了较高的要求出了较高的要求n n 反反电势电势必需是正弦波的才干必需是正弦波的才干产产生正弦生正弦电电流流;3.3 无刷直流无刷直流电动电动机机 〔 〔Brushless Direct Current Motor ,BLDC〕 〕 1 1、无刷直流、无刷直流电动电动机构造机构造2 2、无刷直流、无刷直流电动电动机任机任务务原理原理3 3、无刷直流、无刷直流电动电动机机电电机特性机特性4 4、、PWMPWM控制技控制技术术;1. 1. 构造构造n n由定子、由定子、转转子、位置子、位置传传感器及感器及换换相相电电路路组组成成 n n定子采用叠片构造并在槽内定子采用叠片构造并在槽内铺设绕组铺设绕组的方式的方式 n n定子定子绕组绕组多采用三相并以星形方式多采用三相并以星形方式衔衔接接 ;n n将永磁体恤装在非将永磁体恤装在非导导磁磁资资料外表或料外表或镶镶嵌在其内构成。

嵌在其内构成n n大部分大部分BLDCBLDC采用外表安装方式采用外表安装方式n n多多为为2 2到到3 3对对极的n n磁性磁性资资料多采器具有高磁通密度的稀土料多采器具有高磁通密度的稀土资资料，如料，如銣銣铁铁硼等硼等 ;n n构造上构造上BLDCBLDC与与PMSMPMSM有些有些类类似，但有两点不同：似，但有两点不同：n nBLDCBLDC的的转转子磁极子磁极经专门经专门的磁路的磁路设计设计，可，可获获得梯形得梯形波的气隙磁波的气隙磁场场而 PMSM PMSM的气隙磁的气隙磁场场是正弦波的是正弦波的n nBLDCBLDC的定子的定子绕组绕组构造使之构造使之产产生的反生的反电势电势是梯形波是梯形波的而 PMSM PMSM绕组绕组构造构造产产生正弦型的反生正弦型的反电势电势PMSMPMSM定子定子绕组产绕组产生正弦型的反生正弦型的反电势电势BLDCBLDC的定子的定子绕组产绕组产生的反生的反电势电势是梯形波是梯形波;附：电角度和机械角度n n机械角度是指机械角度是指电电机机转转子的旋子的旋转转角度角度, ,由由ΘmΘm表示；表示；n n电电角度是指磁角度是指磁场场的旋的旋转转角度，由角度，由ΘeΘe表示。

表示n n当当转转子子为为一一对对极极时时，，Θm=ΘeΘm=Θe；；n n当当转转子子为为n n对对极极时时，，Θe=nΘmΘe=nΘm2. 任务原理任务原理1 1〕 〕 〕 〕旋旋旋旋转转转转磁磁磁磁场场场场的的的的产产产产生生生生 假定假定假定假定电电电电机定子机定子机定子机定子为为为为3 3相相相相6 6极，星型极，星型极，星型极，星型衔衔衔衔接转转转转子子子子为为为为一一一一对对对对极n n电电流方向不同流方向不同时时，，产产生的磁生的磁场场方向不同方向不同n n假假设绕组设绕组的的绕线绕线方向一致，当方向一致，当电电流从流从A A相相绕组绕组流流进进，，从从B B相相绕组绕组流出流出时时，，电电流在两个流在两个绕组绕组中中产产生的磁生的磁动动势势方向是不同的方向是不同的6步通电顺序n n三相三相绕组绕组通通电电遵照如下遵照如下规规那么：那么：n n 每步三个每步三个绕组绕组中一个中一个绕组绕组流入流入电电流，一个流，一个绕组绕组流出流出电电流，一流，一个个绕组绕组不不导导通；通；n n通通电顺电顺序如下：序如下：n n 1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C- 1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C-;6步通电顺序n n1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C-6.A+C-n n 每步磁每步磁每步磁每步磁场场场场旋旋旋旋转转转转6060度，每度，每度，每度，每6 6步旋步旋步旋步旋转转转转磁磁磁磁场场场场旋旋旋旋转转转转一周；一周；一周；一周；n n每步每步每步每步仅仅仅仅一个一个一个一个绕组绕组绕组绕组被被被被换换换换相。

相6步通电顺序n n随着磁随着磁场场的旋的旋转转，吸引，吸引转转子磁极随之旋子磁极随之旋转转n n磁磁场顺时针场顺时针旋旋转转，，电电机机顺时针顺时针旋旋转转：：1→2→3→4→5→61→2→3→4→5→6n n磁磁场场逆逆时针时针旋旋转转，，电电机机顺时针顺时针旋旋转转：：6→5→4→3→2→16→5→4→3→2→1n n1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C-1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C-;2〕如何实现换相？〕如何实现换相？n n1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C-6.A+C-n n必需必需必需必需换换换换相才干相才干相才干相才干实现实现实现实现磁磁磁磁场场场场的旋的旋的旋的旋转转转转，假，假，假，假设设设设根据根据根据根据转转转转子磁极的子磁极的子磁极的子磁极的位置位置位置位置换换换换相，并在相，并在相，并在相，并在换换换换相相相相时满时满时满时满足定子磁足定子磁足定子磁足定子磁势势势势和和和和转转转转子磁子磁子磁子磁势势势势相互相互相互相互垂直的条件，就能垂直的条件，就能垂直的条件，就能垂直的条件，就能获获获获得最大得最大得最大得最大转转转转矩。

矩n n要想根据要想根据要想根据要想根据转转转转子磁极的位置子磁极的位置子磁极的位置子磁极的位置换换换换相，相，相，相，换换换换相相相相时时时时就必需知道就必需知道就必需知道就必需知道转转转转子的位置，但并不需求延子的位置，但并不需求延子的位置，但并不需求延子的位置，但并不需求延续续续续的位置信息，只需知道的位置信息，只需知道的位置信息，只需知道的位置信息，只需知道换换换换相点的位置即可相点的位置即可相点的位置即可相点的位置即可n n在在在在BLDCBLDC中，普通采用中，普通采用中，普通采用中，普通采用3 3个开关型霍个开关型霍个开关型霍个开关型霍尔尔尔尔传传传传感器丈量感器丈量感器丈量感器丈量转转转转子子子子的位置由其的位置由其的位置由其的位置由其输输输输出的出的出的出的3 3位二位二位二位二进进进进制制制制编码编码编码编码去控制逆去控制逆去控制逆去控制逆变变变变器中器中器中器中6 6个功率管的个功率管的个功率管的个功率管的导导导导通通通通实现换实现换实现换实现换相开关型霍尔传感器开关型霍尔传感器 n n霍霍尔尔元件元件+ +信号信号处处置置电电路路= =霍霍尔传尔传感器感器n n利用霍利用霍尔尔效效应应，当施加的磁，当施加的磁场场到达到达“ “动动作点〞作点〞时时，，OCOC门输门输出低出低电压电压，称，称这这种形状种形状为为“ “开〞开〞; ;n n当施加磁当施加磁场场到达到达“ “释释放点〞放点〞 使使OCOC门输门输出高出高电压电压，，称其称其为为“ “关〞关〞n n基于基于这这个原理，可制成接近开关。

个原理，可制成接近开关 ;n n假假设设将一只霍将一只霍尔传尔传感器安装在接近感器安装在接近转转子的位置，当子的位置，当N N极逐极逐渐渐接近接近霍霍尔传尔传感器即磁感感器即磁感应强应强度到达一定度到达一定值时值时，其，其输输出是出是导导通形状；通形状；n n当当N N极逐极逐渐渐分开霍分开霍尔传尔传感器、磁感感器、磁感应强应强度逐度逐渐渐减小减小时时，其，其输输出依出依然然坚坚持持导导通形状；只需磁通形状；只需磁场转变为场转变为S S极并到达一定极并到达一定值时值时，其，其输输出出才翻才翻转为转为截止形状截止形状n n在在S-NS-N交替交替变变化磁化磁场场下，下，传传感器感器输输出波形占高、低出波形占高、低电电平各占平各占50%50%n n假假设转设转子是一子是一对对极，那么极，那么电电机旋机旋转转一周霍一周霍尔传尔传感器感器输输出一个周期出一个周期的的电压电压波形，假波形，假设转设转子是两子是两对对极，那么极，那么输输出两个周期的出两个周期的电压电压波形n n直流无刷直流无刷电电机中普通安装机中普通安装3 3个霍个霍尔传尔传感器，感器，间间隔隔120120度或度或6060度按度按圆圆周分布。

周分布n n假假设间设间隔隔120120度，那么度，那么3 3个霍个霍尔传尔传感器的感器的输输出波形相差出波形相差120120度度电电角度；角度；n n输输出信号出信号为为高、低高、低电电平各占平各占180180度度电电角度n n假假设规设规定定输输出信号高出信号高电电平平为为“1“1〞，低〞，低电电平平为为“0“0〞，那么〞，那么输输出的三个信号可用出的三个信号可用3 3位二位二进进制制编码编码表示100 000 001 011 111 110 100 000 001 011 111 110n n假假设间设间隔隔6060度，那么度，那么输输出波形相差出波形相差6060度度电电角度n n间间隔隔120120度与度与6060度的二度的二进进制制编码编码是不同的是不同的例：假定定子绕组为例：假定定子绕组为例：假定定子绕组为例：假定定子绕组为3 3相，转子为相，转子为相，转子为相，转子为2 2对极，对极，对极，对极，3 3个霍尔传感器间个霍尔传感器间个霍尔传感器间个霍尔传感器间隔隔隔隔 60 60度按圆周分布，由度按圆周分布，由度按圆周分布，由度按圆周分布，由6 6只晶体管组成的桥式电路给电机供只晶体管组成的桥式电路给电机供只晶体管组成的桥式电路给电机供只晶体管组成的桥式电路给电机供电，分析其换相过程。

电，分析其换相过程电，分析其换相过程电，分析其换相过程从霍尔传感器输出的二进制编码控制6个功率管的导通，可由逻辑电路实现，也可由软件编程实现1.A+C- 2.A+B- 3.C+ B- 4.C+A- 5.B+A- 6. B+C- ;1.A+B- 2.A+C- 3. B+C- 4. B+A- 5.C+ A- 6 .C+B- 1.A+B- 2.A+C- 3. B+C- 4. B+A- 5.C+ A- 6 .C+B- 每相绕组中电流是正负交替的每相绕组中电流是正负交替的每相绕组中电流是正负交替的每相绕组中电流是正负交替的 由逆变器提供与电动势严厉同相的方波电流由逆变器提供与电动势严厉同相的方波电流由逆变器提供与电动势严厉同相的方波电流由逆变器提供与电动势严厉同相的方波电流;n n直流有刷直流有刷电电机机绕组绕组中的中的电电流流实实践上也是正践上也是正负负交替交替的的 ，只是从，只是从电电刷外部看刷外部看电电流是一方向的流是一方向的n n直流有刷直流有刷电电机机经过换经过换向机构向机构换换向，直流无刷向，直流无刷电电机机经过经过霍霍尔尔开关及逆开关及逆变变器器换换相。

相3〕如何实现力矩的控制？〕如何实现力矩的控制？n n按照按照电电机一致机一致规规律，必需保律，必需保证证θs-θrθs-θr为为9090度，才干度，才干获获得最大得最大转转矩n n因旋因旋转转磁磁场场是是6060度增量，看来无法度增量，看来无法实现这实现这个关系n n但但经过经过适当的布置可适当的布置可实现实现平均平均9090度的关系度的关系n n假假设设每一步都使离每一步都使离转转子磁极子磁极120120度的定子磁度的定子磁势势所所对应对应的的绕组导绕组导通，通，并且当并且当转转子子转过转过6060度后度后换换相，如此反复每一步，那么可使定子磁相，如此反复每一步，那么可使定子磁势势与与转转子磁子磁势势相差相差60-12060-120度，平均度，平均9090度BLDC电机n每一个定子绕组回路与DC电机电枢回路是类似的n但其电压和电流都是在每半个电周期中仅导通120度n电机制造时保证其绕组内反电势为梯形波，但平顶部分与电压和电流同时呈现，其极性也与电压和电流一致n从功率平衡的角度思索n n Tω=EaIa+EbIb+EcIcn又由于E=Keω,且在一切的时间都有两相绕组流过一样电流，n T=2KeIan可见，力矩与定子绕组电流成正比，改动电流即改动力矩。

力矩的动摇力矩的动摇n n换换相相转转矩脉矩脉动动：每次：每次换换向向时时，由于，由于绕组电绕组电感的作用感的作用电电流不流不能突能突变变，，电电流的流的过过渡渡过过 程程 产产生力矩生力矩动摇动摇n n由于由于转转矩存在矩存在动摇动摇，限制了它在高精度的速度、位置控制，限制了它在高精度的速度、位置控制系系统统中的运用中的运用4〕如何实现速度的控制？〕如何实现速度的控制？n n改动定子绕组电压的幅值即能改动电机速度3、电机特性、电机特性n n在BLDC电机中，力矩正比于电流，速度正比于电压，反电势正比于电机转速，因此其控制特性与机械特性均与直流电机根本一样BLDC电机的机械特性曲线电机的机械特性曲线 n n在延在延续续任任务务区，区，电电机可被加机可被加载载直至直至额额定定转转矩矩Tr.Tr.n n在在电电机起停机起停阶阶段，需求段，需求额额外的力矩抑制外的力矩抑制负载惯负载惯性这时这时可可使其短使其短时时任任务务在短在短时时任任务务区，只需其不超越区，只需其不超越电电机峰机峰值值力矩力矩TpTp且在特性曲且在特性曲线线之内即可之内即可4、、PWM控制技术控制技术n n为为了使了使BLDC BLDC 电电机速度可机速度可变变，必需在，必需在绕组绕组的两端的两端加可加可变电压变电压。

n n利用利用PWMPWM控制技控制技术术，，经过经过控制控制PWM PWM 信号的不同信号的不同占空比，那么占空比，那么绕组绕组上平均上平均电压电压可以被控制，从而可以被控制，从而控制控制电电机机转转速n n在控制系在控制系统统中采用中采用DSPDSP或或单单片机片机时时，可利用器件，可利用器件中的中的PWMPWM产产生模生模块产块产生生PWMPWM波形n n根据根据转转速要求速要求设设定占空比，然后定占空比，然后输输出出6 6路路PWMPWM信信号，加到号，加到6 6个功率管上个功率管上n n以以dsPIC30F2020dsPIC30F2020单单片机片机为为例：例：;dsPIC30F2020的的PWM 模块模块;•当下桥臂的功率管由导通到关断时，上桥臂的功率管延时一段时间再由关断到导通，以防止桥臂直通•这个延时时间称为〞死区〞•死区可经过编程改动n nMCPWMMCPWM的的PWMPWM时基模块中有一个公用的时基模块中有一个公用的1616位位PTMRPTMR计计数器和一个数器和一个PTPER PTPER 数字存放器，数字存放器，PTMRPTMR对定时时钟计数，对定时时钟计数，PTPERPTPER中置入的数字确定了中置入的数字确定了PWMPWM信号的周期。

信号的周期PTMRPTMR计计数器启动计数后，其计数值与数器启动计数后，其计数值与PTPERPTPER中置入的数字值比中置入的数字值比较，两者一致时，就输出一个周期的较，两者一致时，就输出一个周期的PWMPWM信号改动信号改动PTPERPTPER的值，就可以方便的改动计数的周期，这样就可的值，就可以方便的改动计数的周期，这样就可以改动以改动PWMPWM波形的频率波形的频率n nPWM PWM 发生器发生器# #中中PDCPDC数字存放器中置入的数字确定了数字存放器中置入的数字确定了PWMPWM信号的占空比比较器将设定的比较值信号的占空比比较器将设定的比较值PDC*:PDC*:与与PTMRPTMR计数值相比较，产生计数值相比较，产生PWMPWM波形的跳变只需实时改波形的跳变只需实时改动比较器的值，就可以改动单位周期内高电平或者低电平动比较器的值，就可以改动单位周期内高电平或者低电平的脉冲宽度，产生占空比可调的的脉冲宽度，产生占空比可调的PWMPWM波形n n经过占空比比较产生的三个输出将被分别传输给死区置入经过占空比比较产生的三个输出将被分别传输给死区置入及输出存放器，可以在高电平变低与低电平变高之间插入及输出存放器，可以在高电平变低与低电平变高之间插入一段死区。

以防止输出驱动器发生不测的直通景象一段死区以防止输出驱动器发生不测的直通景象n n特殊函数存放器特殊函数存放器OVDCONDOVDCOND中的各位中的各位 直接控制直接控制6 6个个PWMPWM输出通道当位为输出通道当位为1 1时，已建立的占空比信号出如今该位时，已建立的占空比信号出如今该位所对应的输出通道上，当位为所对应的输出通道上，当位为0 0时，其输出被制止时，其输出被制止n nOVDCONDOVDCOND存放器的存放器的值值由霍由霍尔尔传传感器感器输输出的二出的二进进制制编码绕编码绕组组通通电顺电顺序决序决议议A+C- A+B- C+B- C+A- B+A- B+C- ;例例1 由单片机控制的由单片机控制的BLDC系统：系统：;SI9979特点特点n n霍尔传感器输入信号处置，60及120度间隔选择，提供霍尔传感器电源n n自动换相功能n n集成逆变器高端驱动n nPWM输入及处置n n电流限制，欠电压维护n n20到40电源电压;例例3: 由由DSP控制的控制的BLDC系统系统;BLDC的特点的特点n n与DC电机比较：由于没有电刷的机械摩擦，使其具有高可靠性、高效率、免维护、无噪声、高速度范围、容易散热等优点。

n n与ASMS电机比较：控制简单，本钱低n n力矩动摇比DC电机及ASMS电机大n n顺应于对制造本钱较敏感，而对性能要求不是特别高的场所思索题思索题1.1.阐明BLDC的旋转磁场是如何产生的2.2.与直流伺服电机和交流永磁伺服电机比较，直流无刷伺服电机有什么特点？;。