直流無刷電動機原理與控制
加入技術交流群
磁阻效應是指元件的電阻值隨磁感應強度而變化，根據磁阻效應制成的傳感器叫磁阻電阻。
三相直流無刷電動機的運行特性
要十分精確地分析直流無刷電動機的運行特性，是很困難的。一般工程應用中均作如下假定：
（1）電動機的氣隙磁感應強度沿氣隙按正弦分布。
（2）繞組通電時，該電流所產生的磁通對氣隙所產生的影響忽略不計。
（3）控制電路在開關狀態下工作，功率晶體管壓降 為恒值。
（4）各繞組對稱，其對應的電路完全一致，相應的電氣時間常數忽略不計。
（5）位置傳感器等控制電路的功耗忽略不計。
由于假設轉子磁鋼所產生的磁感應強度在電動機氣隙中是按正弦規律分布的，即B=BMsinθ 。這樣，如果定子某一相繞組中通一持續的直流電流，所產生的轉矩為
TM=ZDLBMrIsinθ
式中， ZD——每相繞組的有效導體數；
L——繞組中導線的有效長度，即磁鋼長度；
r——電動機中氣隙半徑；
I——繞組相電流。
就是說某一相通以不變的直流后，它和轉子磁場作用所產生的轉矩也將隨轉子位置的不同而按正弦規律變化，如圖5所示。
圖5 在恒定電流下的單相轉矩
它對外負載講，所得的電動機的平均轉矩為零。但在直流無刷電動機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。該電流和轉子磁場作用所產生的轉矩也只是正弦轉矩曲線上相當于1/3周期的一段，且這一段曲線與繞組開始通電時的轉子相對位置有關。顯然在圖6 a所示的瞬間導通晶體管，則可產生最大的平均轉矩。因為在這種情況下，繞組通電120度的時間里，載流導體正好處在比較強的氣隙磁場中。所以它所產生的轉動脈動最小，平均值較大。習慣上把這一點選作晶體管開始導通的基準點，定為
。在
=0度的情況下，電動機三相繞組輪流通電時所產生的總轉矩如圖6b 所示。
圖6 三相直流無刷電動機半空橋轉矩
如若晶體管的導通時間提前或滯后，則均將導致轉矩的脈動值增加，平均值減小。當
=30度時，電動機的瞬時轉矩過零點，這就是說，當轉子轉到某幾個位置時，電動機產生的轉矩為零，電動機起動時會產生死點。當
≥30度后，電動機轉矩的瞬時值將出現負值，則總輸出轉矩的平均值更小。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正常運行時，總是盡力把
角調整到0度，使電動機產生的平均轉矩最大。當
=0度時，可以求得輸出轉矩的平均值 ：
電動機在電動轉矩的作用下轉動后，旋轉的轉子磁場就要切割定子繞組，在各相繞組上感生出電動勢，當其轉速n不變時，該電動勢波形也是正弦波，相位同轉矩相位一致。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 ：
從上面的平均轉矩和平均反電動勢，便可求得直流無刷電動機穩定運行時的電壓平衡方程式，為此首先定義反電動勢系數和轉矩系數：
對于某個具體的電動機，它們為常數。當然，其大小同主回路的接法以及功率晶體管的換相方式有關。
直流無刷電動機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，可得其機械特性方程為
式中 n——電動機轉速（r/min ）；
U——電源電壓（V）；
△U—— 功率管管壓降（V）；
Kc——電動勢系數；
Ta——電動機產生的電動轉矩平均值（N?m）；
KT——轉矩系數；
R——電動機的內阻（Ω）。
在三相半控電路中，其轉矩的波動在TM 到TM/2 之間，這是直流無刷電動機不利的一面。
三相直流無刷電動機的應用
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為電動機定子A、B、C三相繞組，VF1、VF2、VF3為三只MOSFET功率管，主要起開關作用。H1、H2、H3為來自轉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
和一般電動機一樣，在電動機起動時，由于其轉速很低，故轉子磁通切割定子繞組所產生的反電動勢很小，因而可能產生過大電流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，當通過電動機繞組的電流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，同時關斷了VF1、VF2、VF3 三只功率場效應晶體管，即切斷了主電路。當IRf《U0時，比較器不起任何作用。當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。
評論