基于DSC的无刷直流电机转速控制系统设计+电路图(4)
无刷直流电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但是没有笼型绕组和其他的起动装置。其结构如图2. 2所示。其定子绕组一般为多相(三相、四相、五相不等)，转子由永久磁钢按一定的极对数组成。构成无刷直流电动机转子的永久磁钢与永磁有刷电动机中所使用的永久磁钢的作用相似，都是在电动机的气隙中建立足够的磁场。其不同之处在于，无刷直流电动机中永久磁钢装在转子上，而有刷直流电动机的磁钢装在定子上。永久磁钢目前多使用稀土永磁材料，如钕铁硼(NdFeB)和钐钴(SmCo)等。由于转子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布可分为正弦波和梯形波两种。因此，当转子旋转时，在定子上产生的反动电势也有两种形式，一种为正弦波形，另一种为梯形波。习惯上将正弦波永磁同步电动机称为正弦型永磁同步电动机(PMSM)；而梯形波永磁同步电动机，在原理和控制方式上基本与直流电动机类似，故称为无刷直流电动机(BLDCM)或方波电动机。本文的控制对象就是无刷直流电动机。
图2.2 无刷直流电机结构
2.1.2 逆变器电路
电子换向电路的作用是将位置传感器检测到的转子位置信号进行处理，按一定的逻辑代码输出，触发功率开关。由于电子换向线路的导通次序与转子转角同步，因而起到了机械电刷和换向器的换向作用。因此，所谓无刷直流电动机，就其基本结构而言，可以认为是一个由电子换向电路、永磁式同步电动机以及位置传感器三者共同所组成的闭环系统。直流无刷电动机的电子换向电路是用来控制电动机定子上各相绕组通电顺序和时间，主要由功率逻辑控制开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。功率逻辑控制开关单元是控制电路的核心，其作用是将电源的功率以一定逻辑关系分配给直流无刷电动机定子上的各相绕组，以便使电动机产生持续不断的转矩。而各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号。
与一般逆变器电路不同，它的输出频率不是独立调节的，而是受控于转子位置信号，是一个“自控式逆变器”。由于采用自控式逆变器，无刷直流电动机输入电流的频率和电动机转速始终保持同步，电动机和逆变器不会产生振荡和失步，这也是无刷直流电动机的重要优点之一。
电子换向电路分为桥式和非桥式两种，虽然电枢绕组与电子换向电路的连接形式多种多样。但应用最广泛的是三相星形全控状态和三相星形半控状态连接。早期的无刷直流电机的换向器大多由晶闸管组成，由于其关断要借助于反电动势或电流过零，而且晶闸管的开关频率较低，使得逆变器只能工作在较低频率范围内。随着新型可关断全控型器件的发展，在中小功率的电动机中换向器多由功率MOSFET或IGBT构成，具有控制容易、开关频率高、可靠性高等诸多优点。
2.1.3 转子位置传感器
转子位置传感器是永磁无刷直流电机的关键部件，它对电机转子位置进行检测其输出信号经过逻辑变换后去控制开关管的通断使电机定子各相绕组按顺序导通保证电机连续工作。转子位置传感器也由定转子组成，其转子与电机本体同轴以跟踪电机转子的位置，其定子固定于电机本体定子或端盖上以感应和输出转子位置信号。转子位置传感器的主要技术指标为输出信号的幅值、精度，响应速度，工作温度，抗干扰能力，损耗，体积重量，安装方便性以及可靠性等。其种类包括磁敏式、电磁式、光电式、接近开关式、正余弦旋转变压器式以及编码器等。其中最常用的有以下几种：
(1) 霍尔元件式位置传感器