51单片机新型无刷直流电机控制器的设计+源程序(3)
1.2. 无刷直流电机的基本原理及控制方式介绍
无刷直流电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线路、永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成的“电动机系统”。它在电磁结构上与有刷直流电动机一样，但其电枢绕组放在定子上，转子上安装永久磁钢。该电机的电枢绕组一般采用多相形式，经由控制器接到直流电源上，定子采用电子换向代替有刷电机的电刷和机械换向器，各相逐次通电在空间产生磁场，和转子磁极主磁场相互作用产生转矩使电动机旋转[1]。其工作原理如图 1.1所示。
图1.1 无刷直流电动机工作的基本原理图
图1.1中，电子开关线路是用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和时间的，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。功率逻辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定的逻辑关系分配给无刷直流电动机定子上的各相绕组，使得运行过程中定子绕组所产生的磁场和转动中的转子磁钢产生的永磁磁场在空间始终保持在(π/ 2) rad 左右的电角度，以获得最大转矩。而来自位置传感器的信号则用来判断各相绕组导通的顺序和时间。
目前，无刷直流电动机的控制方法可主要分为有位置传感器控制方式和无位置传感器控制方式两种。
传统的永磁无刷直流电机往往采用位置传感器检测转子位置，有位置传感器控制方式是指在无刷直流电动机定子上安装位置传感器来检测转子在运转过程中的位置，将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，以控制它们的导通与截止，使电动机电枢绕组中的电流随着转子位置的变化按次序换相，在空间形成步进式的旋转磁场，控制永磁转子连续不断地旋转[13]。
无位置传感器无刷直流电机的控制是指不依赖位置传感器，通过另外的方式得到转子的位置信号、角速度等状态量，确定逆变器功率管的切换，进而对定子绕组进行换相，保持定子电流和反电势在相位上的严格同步的一种控制方式。国内外的研究人员进行了大量的研究工作，提出了很多种位置信号检测方法，大多是利用检测定子电压、电流等容易获取的物理量进行转子位置的估算，其中较为成熟的有状态观测器法、磁链计算法、电感法、续流二极管法、反电势法[14~16]。
虽然使用位置传感器会给无刷直流电机带来些许不利因素，比如会增大电机体积，增加电机成本。但是无位置传感器控制方式目前发展并未成熟，实际应用中难以稳定实现。所以本设计仍旧采用有位置传感器控制方式。
2. 新型无刷直流电机控制器系统设计
2.1. 新型无刷直流电机特点
与一般无刷直流电机相比，本课题针对的新型无刷直流电机在结构、控制方法等方面都有了很大的改进,使得该电机的性能、效率、节能及可控可调方面有了较大提高，其结构新型，工作原理独特[17]。
该新型永磁无刷直流电机实物图如下图2.1所示。
图2.1 新型永磁无刷直流电机实物图
该新型永磁无刷直流电机工作原理如下图2.2所示。
图2.2 无刷直流电机结构图
上图2.2所示永磁无刷直流电机的结构，转子磁钢在气隙中形成磁场,并且由于定子铁心齿的外形为不对称的特殊形状，因此电机在不加电流时，外转子相对静止，
外转子的磁极轴线与定子铁心齿的轴线不重合，形成一个固定的夹角α，使霍尔传感器对应的径向方向不是N极磁场就是S极磁场，也使得铁心齿上的绕组两边一边完全处在外转子某一磁极下，另一边处在相反磁极下。