电机驱动控制方法之无刷直流电机控制方法1——无刷直流电机介绍
本文主要介绍了无刷直流电机的结构及数学模型

1.      无刷直流电机结构

无刷直流电机(Brushless DC Motor,简称BLDC)一般是由定子、转子、定转子铁心及电子换相传感器组成,之所以称为“无刷”,是因为相比有刷直流电机,去掉了机械式换相装置电刷和换向片,取而代之的是电子换相传感器。这样可以彻底解决机械式换相装置带来的磨损和发热风险。

BLDC的定子绕组一般采用三相星型连接的形式,需要配备相应的电机驱动器实现电机控制。驱动器功率模块采用三相桥臂的方式,每个桥臂的中点和电机绕组其中一相相连接,每个桥臂由上下两部分组成,分别由功率开关器件及其反并联的二极管组成,如图所示。功率开关器件即图中的VT1~VT6,反并联二极管即图中的VD1~VD6,功率器件通过调制导通占空比实现对电机绕组端电压的调制,反并联二极管则形成电机绕组电流的续流回路。

                               BLDC控制硬件架构

2.      无刷直流电机的数学模型

BLDCM控制系统是由电动机本体、转子位置传感器和功率变换器三部分组成。图16为一台典型的三相桥式永磁无刷直流电机原理图。图中Tl~T6为电力电子开关器件,通常用IGBT、MOSFET和GTR,D1~D6为与开关器件反并联的续流二极管。电机本体由定子、转子两部分构成,磁钢面贴在转子上与转子同轴旋转;电枢绕组安装在定子上。三相电压、电流及反电势N极性如图所示, UN为三相绕组中性点电位,θ为定、转子磁势轴线间夹角。

根据位置传感器检测的转子位置,按一定的逻辑触发导通变换器的功率开关,给电机定子绕组馈电。随着电力电子器件构成的功率器件有规律的开通、关断,永磁转子在定子磁动势的作用下旋转起来。

                        BLDC控制系统结构示意


1)      无刷直流电机换相过程

BLDC根据转子位置信号决定导通相次序和换相时刻,可以一台单元电机为例来分析其工作原理和换相过程。如图为BLDCM三相六状态的相电流和转子位置图,其中三相定子电流以流出纸面为正方向,流入纸面为负方向,如AB()表示A相绕组中电流流出纸面,B相绕组中电流流入纸面。

转子初始位置如下图中(a)所示,此时开关元件T1,T6导通,定子磁势F()S逆时针方向超前转子N极120°,在定子磁场的吸引下转子将逆时针旋转。当位置传感器检测到转子仅落后于定子磁势F()S 60° 时(即下图(b)),导通功率器件T1,T2,定子磁势F()S跃进60°,重新超前N极120°。这样随着位置传感器信号的变化,电枢绕组一相一相地依次馈电,从而实现各相绕组的换流。转子旋转一周,开关元件完成六次换流,定子电流产生的定子磁势在空间跳变六次,定、转子磁动势夹角始终在120°~60°范围内变化,周而复始,使定、转子空间夹角平均为90°,产生最大转矩。

                              BLDC三相绕组电流与转子磁场相互作用的关系

2)       无刷直流电机的数学描述

为了对BLDC的运行特性进行分析,必须建立其状态方程形式的数学模型,主要是电压方程和磁链方程。考虑到永磁材料磁导率与空气相近,可认为面贴式BLDC气隙均匀;忽略功率半导体器件的开关过程,作为理想开关处理。这样,定子电压方程式可写为:

式中:rs为定子绕组相电阻,ΨasΨbsΨcs为链过定子绕组的全磁链。

定子磁链方程可以写为:

由于面贴式BLDC为隐极型电机,电感不随空间位置变化,且由各相绕组空间位置对称性,故有:,称定子绕组的互感,,称为定子绕组的自感。ΨfaΨfbΨfc为转子永磁体磁场链过定子绕组的磁链。

当定子绕组星型连接时,三相电流之和为0,即:

将以上定子磁链方程代入定子电压方程,可得:

式中:LS=L-M,为定子绕组的自漏感,单位H,easebsecs为定子绕组中产生的反电动势。

选取三相电流为状态变量,将最终得到的电压方程写成状态方程的形式:

也可以得到如图所示的等效电路。

                   BLDC的等效电路形式

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