直流无刷电机的原理及其控制 2014英飞凌XMC 微控制器巡回研讨会 Page 2 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only 2014/7/10 内容 ?直流无刷电动机结构及工作原理 ?直流无刷电机的控制技术 Page 3 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only 直流无刷电动机(BLDC)结构及工作原理 ? 电机工作的基本原理 1)通电导体产生磁场,特别的,通电线圈的磁场和磁体类似 2014/7/10 Page 4 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only 直流无刷电动机(BLDC)结构及工作原理 2)磁体同性相吸、异性相斥,通电线圈和永磁体之间同样存在这样的现象 Page 5 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only 无刷直流电动机(BLDC)结构及工作原理 ? 无刷直流电机利用了通电线圈和永磁体的相互作用原理 2014/7/10 定子(通电线 圈),定子绕组 多采用三相并以 星形方式连接 转子(永磁体) Page 6 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only 无刷直流电动机(BLDC)结构及工作原理 2014/7/10 ? 无刷直流电机的逻辑结构 Page 7 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only 直流无刷电动机(BLDC)结构及工作原理 ? 直流无刷电机的简化逻辑结构 2014/7/10 转子可以简化为1对磁极的磁体 定子线圈,根据其绕线方式,可 以简化为3个公共点相连的线圈 A B C Page 8 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only 直流无刷电动机(BLDC)结构及工作原理 2014/7/10 ? 通电的线圈会产生各自的磁场,他们的合成磁场满足矢量合成的原则 合成磁场 N极 S极 Page 9 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only 直流无刷电动机(BLDC)结构及工作原理 ? 直流无刷电机的6拍工作方式,线圈产生旋转磁场 2014/7/10 S N S N A+C- A+B- C+B- B+C- B+A- C+A- 6 1 2 3 5 4 Page 10 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only 无刷直流电动机(BLDC)结构及工作原理 ? 附:电角度和机械角度 ? 机械角度是指电机转子的旋转角度,由Θm表示; ? 电角度是指磁场的旋转角度,由Θe表示. ? 当转子为一对极时, Θm = Θe; ? 当转子为n对极时, n *Θm =Θe . 2014/7/10 Page 11 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only 2014/7/10 内容 ?直流无刷电动机结构及工作原理 ?直流无刷电机的控制技术 Page 12 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only BLDC霍尔传感梯形波控制原理 2014/7/10 梯形波控制 根据转子磁极位置,对定子线圈进行换相通电,形成6步的旋转磁场, 进而带动转子同步转动的控制方式. 关键技术1—通过安装在电机上的霍尔器件来获取转子磁极位置信息. 关键技术2—通过6个功率器件组成的3相半桥来控制线圈的6拍通电 方式,形成旋转磁场. Page 13 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only 2014/7/10 BLDC霍尔传感梯形波控制原理 ? 霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器,它可以有效的反映通 过霍尔原件的磁密度 有正向磁场通过霍尔,输出"1" 有反向磁场通过霍尔,输出"0" Page 14 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only 霍尔信号实例 ? 当霍尔在和电机的转子做相对运动时,会随着转子下磁密度的变化, 产生变化的信号 2014/7/10 Page 15 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only 霍尔的安装示例 0° 120° 240° ? 在电机中安装3个电角 度相差120°的霍尔 原件,可以有效的反 映电机转子位置 电角度(120°x4)%360°=120° 电角度(240°x4)%360°=240° 电角度 0° Page 16 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only 霍尔信号的六步变换 2014/7/10 ? 电机按一定方向转动时,3个霍尔的输出会按照6步的规律变化 Page 17 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only 2014/7/10 BLDC梯形波控制原理 VDC A+ A- B+ B- C+ C- A B C H1 H2 H0 ? 箭头表示绕组励磁电流的方 向及产生的磁场的方向 ? 定子磁场方向,即绕组产生 磁场的矢量和 ? 转子磁场方向 (永磁体) ? 当霍尔传感器感应到"N"时, 输出高电平 Page 18 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only A B C H1 H2 H0 VDC C+ B+ A- A+ B- C- C+ B+ A- A+ B- C- BLDC梯形波控制原理 ?霍尔信号采样及比较 ?换相操作 ?输出控制 Page 19 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only 三相半桥的6拍换向控制 2014/7/10 VDC A+ A- B+ B- C+ C- A B C VDC A+ A- B+ B- C+ C- A B C VDC A+ A- B+ B- C+ C- A B C VDC A+ A- B+ B- C+ C- A B C VDC A+ A- B+ B- C+ C- A B C VDC A+ A- B+ B- C+ C- A B C B+A- B+C- A+C- A+B- C+B- C+A- 1 2 3 4 5 6 Page 20 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only 2014/7/10 BLDC的正反转控制 正转霍尔 #1 霍尔 #2 霍尔 #3 A+ A- B+ B- C+ C- 方向 1 0 1 关闭 开通 关闭 关闭 开通 关闭 ↓ 0 0 1 关闭 开通 开通 关闭 关闭 关闭 ↓ 0 1 1 关闭 关闭 开通 关闭 关闭 开通 ↓ 0 1 0 开通 关闭 关闭 关闭 关闭 开通 ↓ 1 1 0 开通 关闭 关闭 开通 关闭 关闭 ↓ 1 0 0 关闭 关闭 关闭 开通 开通 关闭 ↓ 反转霍尔 #1 霍尔 #2 霍尔 #3 A+ A- B+ B- C+ C- 方向 1 0 1 关闭 关闭 开通 关闭 关闭 开通 ↑ 0 0 1 开通 关闭 关闭 关闭 关闭 开通 ↑ 0 1 1 开通 关闭 关闭 开通 关闭 关闭 ↑ 0 1 0 关闭 关闭 关闭 开通 开通 关闭 ↑ 1 1 0 关闭 开通 关闭 关闭 开通 关闭 ↑ 1 0 0 关闭 开通 开通 关闭 关闭 关闭 ↑ Page 21 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only 2014/7/10 BLDC的调速 ? 通过PWM控制的方式调速 把连续的开通,转 变为开/关交替的 PWM形式,来实 现调速控制 Page 22 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only 续流时候可以通过上桥 臂MOSFET续流,减小 损耗 2014/7/10 调制技术 ? 通过调制技术可以有效的解决续流时候的损耗 无调制 高边调制 低边调制 续流时候完全通过反向 二极管续流,损耗较大 续流时候可以通过下桥 臂MOSFET续流,减小 损耗 Page 23 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only
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直流无刷电机的原理及其控制 2014英飞凌XMC 微控制器巡回研讨会 Page 2 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only 2014/7/10 内容 ?直流无刷电动机结构及工作原理 ?直流无刷电机的控制技术 Page 3 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only 直流无刷电动机(BLDC)结构及工作原理 ? 电机工作的基本原理 1)通电导体产生磁场,特别的,通电线圈的磁场和磁体类似 2014/7/10 Page 4 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only 直流无刷电动机(BLDC)结构及工作原理 2)磁体同性相吸、异性相斥,通电线圈和永磁体之间同样存在这样的现象 Page 5 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only 无刷直流电动机(BLDC)结构及工作原理 ? 无刷直流电机利用了通电线圈和永磁体的相互作用原理 2014/7/10 定子(通电线 圈),定子绕组 多采用三相并以 星形方式连接 转子(永磁体) Page 6 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only 无刷直流电动机(BLDC)结构及工作原理 2014/7/10 ? 无刷直流电机的逻辑结构 Page 7 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only 直流无刷电动机(BLDC)结构及工作原理 ? 直流无刷电机的简化逻辑结构 2014/7/10 转子可以简化为1对磁极的磁体 定子线圈,根据其绕线方式,可 以简化为3个公共点相连的线圈 A B C Page 8 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only 直流无刷电动机(BLDC)结构及工作原理 2014/7/10 ? 通电的线圈会产生各自的磁场,他们的合成磁场满足矢量合成的原则 合成磁场 N极 S极 Page 9 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only 直流无刷电动机(BLDC)结构及工作原理 ? 直流无刷电机的6拍工作方式,线圈产生旋转磁场 2014/7/10 S N S N A+C- A+B- C+B- B+C- B+A- C+A- 6 1 2 3 5 4 Page 10 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only 无刷直流电动机(BLDC)结构及工作原理 ? 附:电角度和机械角度 ? 机械角度是指电机转子的旋转角度,由Θm表示; ? 电角度是指磁场的旋转角度,由Θe表示. ? 当转子为一对极时, Θm = Θe; ? 当转子为n对极时, n *Θm =Θe . 2014/7/10 Page 11 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only 2014/7/10 内容 ?直流无刷电动机结构及工作原理 ?直流无刷电机的控制技术 Page 12 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only BLDC霍尔传感梯形波控制原理 2014/7/10 梯形波控制 根据转子磁极位置,对定子线圈进行换相通电,形成6步的旋转磁场, 进而带动转子同步转动的控制方式. 关键技术1—通过安装在电机上的霍尔器件来获取转子磁极位置信息. 关键技术2—通过6个功率器件组成的3相半桥来控制线圈的6拍通电 方式,形成旋转磁场. Page 13 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only 2014/7/10 BLDC霍尔传感梯形波控制原理 ? 霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器,它可以有效的反映通 过霍尔原件的磁密度 有正向磁场通过霍尔,输出"1" 有反向磁场通过霍尔,输出"0" Page 14 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only 霍尔信号实例 ? 当霍尔在和电机的转子做相对运动时,会随着转子下磁密度的变化, 产生变化的信号 2014/7/10 Page 15 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only 霍尔的安装示例 0° 120° 240° ? 在电机中安装3个电角 度相差120°的霍尔 原件,可以有效的反 映电机转子位置 电角度(120°x4)%360°=120° 电角度(240°x4)%360°=240° 电角度 0° Page 16 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only 霍尔信号的六步变换 2014/7/10 ? 电机按一定方向转动时,3个霍尔的输出会按照6步的规律变化 Page 17 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only 2014/7/10 BLDC梯形波控制原理 VDC A+ A- B+ B- C+ C- A B C H1 H2 H0 ? 箭头表示绕组励磁电流的方 向及产生的磁场的方向 ? 定子磁场方向,即绕组产生 磁场的矢量和 ? 转子磁场方向 (永磁体) ? 当霍尔传感器感应到"N"时, 输出高电平 Page 18 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only A B C H1 H2 H0 VDC C+ B+ A- A+ B- C- C+ B+ A- A+ B- C- BLDC梯形波控制原理 ?霍尔信号采样及比较 ?换相操作 ?输出控制 Page 19 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only 三相半桥的6拍换向控制 2014/7/10 VDC A+ A- B+ B- C+ C- A B C VDC A+ A- B+ B- C+ C- A B C VDC A+ A- B+ B- C+ C- A B C VDC A+ A- B+ B- C+ C- A B C VDC A+ A- B+ B- C+ C- A B C VDC A+ A- B+ B- C+ C- A B C B+A- B+C- A+C- A+B- C+B- C+A- 1 2 3 4 5 6 Page 20 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only 2014/7/10 BLDC的正反转控制 正转霍尔 #1 霍尔 #2 霍尔 #3 A+ A- B+ B- C+ C- 方向 1 0 1 关闭 开通 关闭 关闭 开通 关闭 ↓ 0 0 1 关闭 开通 开通 关闭 关闭 关闭 ↓ 0 1 1 关闭 关闭 开通 关闭 关闭 开通 ↓ 0 1 0 开通 关闭 关闭 关闭 关闭 开通 ↓ 1 1 0 开通 关闭 关闭 开通 关闭 关闭 ↓ 1 0 0 关闭 关闭 关闭 开通 开通 关闭 ↓ 反转霍尔 #1 霍尔 #2 霍尔 #3 A+ A- B+ B- C+ C- 方向 1 0 1 关闭 关闭 开通 关闭 关闭 开通 ↑ 0 0 1 开通 关闭 关闭 关闭 关闭 开通 ↑ 0 1 1 开通 关闭 关闭 开通 关闭 关闭 ↑ 0 1 0 关闭 关闭 关闭 开通 开通 关闭 ↑ 1 1 0 关闭 开通 关闭 关闭 开通 关闭 ↑ 1 0 0 关闭 开通 开通 关闭 关闭 关闭 ↑ Page 21 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only 2014/7/10 BLDC的调速 ? 通过PWM控制的方式调速 把连续的开通,转 变为开/关交替的 PWM形式,来实 现调速控制 Page 22 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only 续流时候可以通过上桥 臂MOSFET续流,减小 损耗 2014/7/10 调制技术 ? 通过调制技术可以有效的解决续流时候的损耗 无调制 高边调制 低边调制 续流时候完全通过反向 二极管续流,损耗较大 续流时候可以通过下桥 臂MOSFET续流,减小 损耗 Page 23 Copyright ? Infineon Technologies 2009. All rights reserved. For internal use only