2 无刷直流电机控制器的工作原理与总体设计

经过对课题工程背景的研究，设计需要从控制对象的角度寻找设计的切入点，本章从无刷直流电机的原理分析，从而得出无刷直流电机控制器的总体设计思想框架。

2.1无刷直流电机的工作原理

三相六磁极无刷直流电机模型如图2-1所示：

图2.1 无刷直流电机内部结构图

由上图可知无刷直流电机电机的内部结构与交流同步电机的内部结构完全 相同，因此可以采用交流同步电机的控制方式对其控制；同时也可以对其采用步进电机的三相六拍控制方式。

2.2无刷直流电机的工作方式的选择

SVD1VD2VD3RaVT1VD7R1VD13VT2VD8R2VD14VT3VD9 R3VD15380V~RbRcCrVTCVD10C1C2C3电动机 R4VD16VT5VD11 R5VD17VT6C5VD12 R6VD18VD4VD5VD6LPVT4C4C6图2.2交流同步电机控制电路图

2.2.1无刷直流电机在三三导通方式下的工作原理 a.三相逆变桥的工作原理

三相逆变桥的电路简图如上图所示，控制逆变管的导通和关断可以把直流电逆变成矩形波三相交流电，图中R、Y、B为逆变桥的输出。

180°导通型三相逆变器的控制规律如图（b）所示，其中深色部分表示逆变管导通。可以看出，每一时刻总有三个逆变管导通，另三个逆变管关断，并且与、与、与每对逆变管不能同时导通。线电压，，的波形如图（c）所示，可以看出，它们的幅值为U，三者之间互差120°。各阶段的等值电路及相电压和线电压值见下表所示。

表2.1 180°导通型三相逆变器各阶段的等值电路及相电压和线电压值 阶段 导通管号 等 值 电 路 0°~60° 60°~120° 120°~180° 1，2，6 120°~240° 2，4，6 240°~300° 2，3，4 300°~360° 3，4，5 1，3，5 1，5，6 图2.3三相逆变桥工作原理与输出波形

（a） 电路简图；（b） 逆变管通断时序；（c） 线电压与相电压波形

b.变频与变压

交流异步电动机的定子绕组的反电动势是定子绕组切割旋转磁场磁力线的结果，其有效值的计算式为

（2.1） 式中：为与电动机结构有关的常数；为电源频率；为磁通。

而在电源一侧，电源电压的平衡方程式为

（2.2） 加在电机绕组端的电源电压，一部分产生感应电动势，另一部分消耗在阻抗（线圈电阻和漏电感）上。

定子电流分两部分，即 式中：是少部分，用于建立主磁场磁通；是大部分，用于产生电磁力带动机械负载。

交流异步电动机进行变频调速时，如频率下降，则降低。在电源电压不变的情况下，定子电流将增加。此时如果外负载不变，则不变，将增加，也就是使磁通量增加。的增加又使增加，达到新的平衡点。

通常在设计时已使电动机的磁通容量达到最大容量，因此磁通量再增加将产生磁饱和，引起电流波形畸变，削弱电磁力矩，影响机械特性。

解决机械特性下降问题的一种方案是维持磁通量恒定不变，即设法使=常数，这就要求当电动机调速改变电源频率时，也进行相应变化，以维持它们的比值不变。实际上，因为无法控制的大小，通常是忽略在阻抗上产生的压降，用调节电源电压来近似地代替调节，使其跟随频率的变化，保持磁通量近似恒定，即

（2.3） 这就是为什么在变频的同时也要变压，即VVVF。 c.SPWM调制波

用脉宽调制PWM，可以方便地实现变频和变压：调节占空比α，就可以调节输出的平均电压；调节PWM波的频率，就可以改变电源频率，实现调速。 然而，矩形波含有许多高次谐波成分，将产生使交流异步电动机发热、力矩下降、振动噪声等不良后果。

使逆变电路输出的电压波形成为正弦波的一种方法是，将等宽的矩形波变成一组宽度渐变的脉冲波，其宽度变化规律应符合正弦的变化规律，如图3-48所示的正弦脉宽调制波，简称SPWM波。由于谐波成分大大减少，驱动效果可以达到基本满意的水平。

产生正弦脉宽调制波SPWM的通常方法是，用一组等腰三角形波与一个正弦波进行比较，如图2.5所示，以其交点作为开关管“开”或“关”的时刻。等腰三角形波称为载波，而正弦波则称为调制波。改变正弦波的频率，就可以改变输出电源的频率，从而改变电动机的转速；改变正弦波的幅值，也就改变了正弦波与载波的交点，使输出脉冲系列的宽度发生变化，从而改变输出电压。

图2.4 SPWM波形

图2.5 SPWM波生成方法

三相逆变开关管生成SPWM波的控制方式有单极性控制和双极性控制两种。 （1）单极性控制。每半个周期内，在逆变桥的同一桥臂的上下两个逆变开关管中，只有一个逆变开关管按图2-4的规律反复通断，而另一个逆变开关管始终关断；在另半个周期内，两个逆变开关管的工作状态正好相反。

三相逆变器中的六个逆变开关管的工作状态仍然可以用图2.6（b）进行描述，例如，开关管在、、时间段中按SPWM波的规律进行开通和关断，在、、时间段则全关断；同一桥臂的开关管正好相反，在、、时间段全关断，而在、、间段则按SPWM波的规律进行开通和关断；三个桥臂工作的规律都相同，只是在相位上相差120°。

（2）双极性控制。在全部周期内，同一桥臂的上下两个逆变管交替开通与关断，形成互补的工作方式，其各种波形如图2.6所示。

图2.6（a）表示了三相调制波与等腰三角形载波的关系，三相调制波由频率和幅值都一样，但相位上相差120°的三条正弦波、、组成。每一条正弦波与等腰三角形载波的交点决定了同一桥臂（同相）逆变开关管的开通与关断的时间。

图2.6（b）、（c）、（d）表示了各相电压、、输出的波形，它们的最大幅值是，其中上臂开关管产生正脉冲。下臂开关管产生负脉冲。同样，三相相电压波形的相位也互差120°。

图2.6（e）是线电压的输出波形，同理也可以得到，。 d.载波频率的选择