無刷直流電機(jī)的PWM調(diào)制方式

　　無刷直流電機(jī)介紹

　　無刷直流電機(jī)由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。 無刷電機(jī)是指無電刷和換向器（或集電環(huán)）的電機(jī)，又稱無換向器電機(jī)。早在十九紀(jì)誕生電機(jī)的時(shí)候，產(chǎn)生的實(shí)用性電機(jī)就是無刷形式，即交流鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，這種電動(dòng)機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。但是，異步電動(dòng)機(jī)有許多無法克服的缺陷，以致電機(jī)技術(shù)發(fā)展緩慢。上世紀(jì)中葉誕生了晶體管，因而采用晶體管換向電路代替電刷與換向器的直流無刷電機(jī)就應(yīng)運(yùn)而生了。這種新型無刷電機(jī)稱為電子換向式直流電機(jī)，它克服了第一代無刷電機(jī)的缺陷。

　　無刷直流電機(jī)工作原理

　　無刷直流電機(jī)由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。 電動(dòng)機(jī)的定子繞組多做成三相對(duì)稱星形接法，同三相異步電動(dòng)機(jī)十分相似。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體 ，為了檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的極性，在電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動(dòng)器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是：接受電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、制動(dòng)信號(hào)，以控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止和制動(dòng)；接受位置傳感器信號(hào)和正反轉(zhuǎn)信號(hào)，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接受速度指令和速度反饋信號(hào)，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護(hù)和顯示等等。

　　直流電機(jī)具有響應(yīng)快速、較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能，但直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)也正是它的缺點(diǎn)，因?yàn)橹绷麟姍C(jī)要產(chǎn)生額定負(fù)載下恒定轉(zhuǎn)矩的性能，則電樞磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)須恒維持90°，這就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花、碳粉因此除了會(huì)造成組件損壞之外，使用場(chǎng)合也受到限制。交流電機(jī)沒有碳刷及整流子，免維護(hù)、堅(jiān)固、應(yīng)用廣，但特性上若要達(dá)到相當(dāng)于直流電機(jī)的性能須用復(fù)雜控制技術(shù)才能達(dá)到?，F(xiàn)今半導(dǎo)體發(fā)展迅速功率組件切換頻率加快許多，提升驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能。微處理機(jī)速度亦越來越快，可實(shí)現(xiàn)將交流電機(jī)控制置于一旋轉(zhuǎn)的兩軸直角坐標(biāo)系統(tǒng)中，適當(dāng)控制交流電機(jī)在兩軸電流分量，達(dá)到類似直流電機(jī)控制并有與直流電機(jī)相當(dāng)?shù)男阅堋?/p>

　　無刷直流電機(jī)特點(diǎn)：

　　1、可替代直流電機(jī)調(diào)速、變頻器+變頻電機(jī)調(diào)速、異步電機(jī)+減速機(jī)調(diào)速；

　　2、具有傳統(tǒng)直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又取消了碳刷、滑環(huán)結(jié)構(gòu)；

　　3、可以低速大功率運(yùn)行，可以省去減速機(jī)直接驅(qū)動(dòng)大的負(fù)載；

　　4、體積小、重量輕、出力大；

　　5、轉(zhuǎn)矩特性優(yōu)異，中、低速轉(zhuǎn)矩性能好，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，啟動(dòng)電流??；

　　6、無級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍廣，過載能力強(qiáng)；

　　7、軟啟軟停、制動(dòng)特性好，可省去原有的機(jī)械制動(dòng)或電磁制動(dòng)裝置；

　　8、效率高，電機(jī)本身沒有勵(lì)磁損耗和碳刷損耗，消除了多級(jí)減速耗，綜合節(jié)電率可達(dá)20%~60%。

　　9、可靠性高，穩(wěn)定性好，適應(yīng)性強(qiáng)，維修與保養(yǎng)簡(jiǎn)單；

　　10、耐顛簸震動(dòng)，噪音低，震動(dòng)小，運(yùn)轉(zhuǎn)平滑，壽命長(zhǎng)；

　　11、不產(chǎn)生火花，特別適合爆炸性場(chǎng)所，有防爆型；

　　12、根據(jù)需要可選梯形波磁場(chǎng)電機(jī)和正弦波磁場(chǎng)電機(jī)。

　　無刷直流電機(jī)的PWM調(diào)制方式介紹

　　圖1為三相無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分示意圖，主要包括霍爾信息的采集，以及根據(jù)霍爾信號(hào)對(duì)三相逆變器做對(duì)應(yīng)的調(diào)制，三相逆變器PWM的開關(guān)順序已經(jīng)PWM的占空比是調(diào)制的主要內(nèi)容，不同的調(diào)制方式對(duì)BLDC的運(yùn)行性能有很大影響，近年來隨著電機(jī)控制系統(tǒng)越來越精細(xì)，在原來常見的方波120度脈寬調(diào)制基礎(chǔ)上，正弦脈寬調(diào)制（SPWM）和空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）出現(xiàn)，使電機(jī)脈動(dòng)降低、電流波形畸變減小，但后兩者的算法比較復(fù)雜，本文將對(duì)三種調(diào)制方式逐一地介紹其特性、原理及計(jì)算細(xì)節(jié)。安森美半導(dǎo)體LC08000M芯片集成這三種調(diào)制方式，適合應(yīng)用在BLDC的驅(qū)動(dòng)。

　　1. 方波120度脈寬調(diào)制

　　利用霍爾值（每個(gè)電氣周期6次變化），改變UVW相電流流向，但同一霍爾值內(nèi)電流流向不變，任何時(shí)刻只能一相的上橋和另一相的下橋?qū)?，這種控制方式簡(jiǎn)單，但存在最大60度的轉(zhuǎn)矩偏角，效率降低，同時(shí)會(huì)伴有轉(zhuǎn)動(dòng)噪音。

　　圖2： Hall狀態(tài)與PWM、三相反電動(dòng)勢(shì)、三相電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系

　　在上橋下橋PWM開關(guān)控制順序不同，我們可以做出下面5種模式的選裝。

　　LC08000M為了減小在換相時(shí)轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)，采用了PWM值過渡方式，這一處理能有效降低了轉(zhuǎn)動(dòng)噪音。

　　圖3：LC08000M 方波120°脈寬調(diào)制的PWM與霍爾關(guān)系的對(duì)應(yīng)圖

　　2. 正弦脈寬調(diào)制（SPWM）

　　疊加在MOS管的直流電壓可以通過PWM開關(guān)控制來等效成正弦電壓，由于中性點(diǎn)為0，因此電機(jī)的相電壓也為正弦，從而使得電機(jī)相線電流也成正弦變化規(guī)則，消除了轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。根據(jù)面積等效原理，正弦波還可以等效成PWM波。如圖5所示，通過這種方式我們不停的調(diào)整PWM的占空比來實(shí)現(xiàn)正弦電壓效應(yīng)。

　　圖3：正弦波與PWM波的等效圖

　　正弦脈寬調(diào)制需要知道ωt的詳細(xì)值，而我們從$霍爾元件只可以讀取到60°120°180°240°360°這個(gè)6個(gè)大體的位置信息，所以我們需要從前幾次霍爾值變化的間隔時(shí)間推算出60度內(nèi)的內(nèi)角度。在電機(jī)靜啟動(dòng)情況下，我們無法推算出內(nèi)角度信息，因此啟動(dòng)情況下，我們還是要采用方波120度脈寬調(diào)制方式啟動(dòng)，但電機(jī)得到一個(gè)穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)后，我們可以推算出內(nèi)角度，就可以切換成正弦脈寬調(diào)制方式。

　　推算內(nèi)角度方法：如圖6-1首先計(jì)算出每個(gè)60°需要的時(shí)間，除以PWM周期的時(shí)間可以計(jì)算出60°內(nèi)PWM的次數(shù)，從而得到60°內(nèi)每增加1個(gè)PWM時(shí)內(nèi)角度增加的值，在加上通過霍爾值對(duì)應(yīng)的大角度值就得到當(dāng)前的角度;UVW三相彼此相差120°相位。

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