单相直流无刷电机实验报告.doc

1、特种电机实验-无刷直流电机的特性分析学号：姓名：日期：2014-6-17单相无刷直流电机实验实验大纲一、 实验目的a通过动手拆卸风扇，观察内部结构，了解单相直流无刷电机的物理结构；b通过对直流无刷电机驱动电路的测试、分析，学习单相直流无刷电动机的控制方法；c通过自行设计实验，测试直流无刷电动机驱动电路的电气特性以及直流无刷电动机的调速特性。二、 实验设备本实验的实验对象为轴流风扇用直流无刷电动机（DC Brushless Fan），型号为 NMB 2406KL-04W-B36，额定电流 0.14A。其所属型号系列（NMB 2406-04W-B30）的各项性能参数如下：实验用到的其它操作测试设备

2、如下：万用表，电压源，示波器，光电反射式转速表，电烙铁等。三、 实验原理直流无刷电机结构散热风扇从通电切换磁场的方式区分，可以分为有刷和无刷两种。有刷电机寿命短，会产生电火花。无刷电机没有碳刷的磨损，寿命长，容易高速运行，无火花，已逐渐取代有刷电机。使用直流无刷电机的风扇的组成结构如下图分为转子和定子两部分。转子包括扇叶、轴心、磁环、磁环外框及油圈。定子包括轴承、PCB 驱动电路等。驱动控制部分主要由霍尔元件，驱动芯片等组成。电机绕组部分，由矽钢片、漆包线和上下绝缘线架组成。矽钢片的功能是负责将磁极导出，以便于确定 N、S 的强弱；而绕组决定磁力线的方向性，包括N、S 极和控制信号，不断改变绕

3、组极性，推动磁框运转，达到做功的目的。定子绕组多为四相（实际为单相串联）对称分布，即互成 90夹角。电 枢 N永 磁 转 子 定 子气 隙固定磁场部分：由磁环提供固定磁场，以用于旋转时的动力。直流无刷电机工作原理通常直流电机的定子由永久磁钢组成，它的主要作用是为了在气隙中形成磁场，电机的电枢绕组通电后能够产生感应磁场，电机在运行过程中，由于电刷的作用，上述两个磁场的方向总是相互垂直，从而产生最大的输出转矩。单相直流无刷电机中除掉了电刷，为了实现无电刷换向，首先将直流电机的电枢绕组至于其定子位置上，相对应的将永久磁钢置于其转子位置上，这和传统直流电机的结构相反，但是这样做并不够，由于使用直流电源

4、给定子绕组供电时，只能够产生不能移动的磁场，但转子磁钢所产生的磁场总是处于运动状态，所以他们不能够相互垂直，这样也就不能够驱动转子旋转。因此，单相直流无刷电机系统除了电机转子和定子组成本体之外，还需要由控制电路、位置传感器及功率逻辑开关构成的换向装置。上述组合在一起才使得单相直流无刷电机运行过程中定子绕组产生的磁场与转子磁钢转动产生的磁场，在空间中始终保持90左右的电角度，从而驱动电机不断的旋转。单相直流无刷电机的绕组形式有两种：双极性绕组和双绕线绕组。启动电压：是指当突然通电后，能够使风扇启动的最小电压，这是由控制芯片的工作电压等决定的。风扇除正负两条电源线以外，还有第三条线，输出 RD信号

5、。RD 信号的作用是供外部系统计算风扇的转速,还有当风扇出现异常停止转动时,信号线输出高压信号反馈给系统报警。四、 实验要求1） 拆卸电机仔细观察轴流风扇用直流无刷电动机，拆开电机，注意不要损坏电机和PCB电路。2） 分析电机结构与电路分析电机的物理结构以及控制驱动电路的元件及工作原理，画出电路原理图。3） 设计实验方案根据实验对象的特点，设计实验方案。要求测量出电机的调速特性曲线、始动电压、电压-电流关系曲线。五、 实验步骤1、拆卸电机，观察内部结构。转子的拆卸：撕开后面不干胶商标，压住转子，用镊子或尖嘴钳从尾轴端部抠出轴塑料扣环，拔出转子。定子拆卸：定子是热压塑料固定的，需要从后尾用尖头电

6、烙铁烫开一圈才能拆下，易损坏，要小心，烙铁不能烫的太深，以免损坏 PCB板上的元器件。如果损坏，则根据对电路板的分析确定监测点，在完好的电机背后钻孔，焊接检测引线测量。2、分析电机结构和 PCB电路。分析记录电机的结构，通过测试 PCB电路，查询芯片手册，绘制控制驱动电路原理图，分析控制原理，并确定需要检测的信号或者测试量。3、分析测试控制电路电气特性。根据得到的控制驱动电路，在合适的位置焊接引线，测量要检测的信号或控制量。将转子重新装回定子上，安上塑料扣环。连接供电电源，逐渐提高电压，直到风扇开始转动，记录此时的电压值，此电压即为该风扇的启动电压。4、测试电机的调速特性在风扇的一个叶片上粘贴

7、一反光片（胶带或白纸片），如此可通过使用光电反射式转速表测试电机转速 n。在电源接线的+或-钳住电流钳，以获得电流值 I。RD信号接示波器，可观察控制芯片给出的驱动电源频率 f。在启动电压的基础上逐步增加电压至额定电压，读取并记录电机转速n，电流 I,驱动电源频率 f。在额定电压的情况下，逐步降低电压至停止运转电压，读取并记录电机转速 n、电流 I、驱动电源频率 f。绘制两种情况下的电压-转速，转速-电流曲线。六、 实验注意事项实验过程中，需要注意以下事项：1、拆开电机要细心，避免损坏电机无法复原，两个电机留一个备用。2、拆开过程中注意观察与分析，判断电机极对数，确定检测点位置。3、实验仪表量

8、程选择要注意风扇电机的额定参数，不要过载。4、风扇电机的控制电路和功率开关电路是集成在一起的，电源电压不能反向加入。电压上限不要超过额定电压的 20%。5、开始运转的电压下限值并不是电机的始动电压，而是控制电路开始工作的电压，所以要区分开。6、注意定子铁心的不对称磁路。7、如果用示波器测量定子电流频率来测量转速，注意极对数与转速的关系。8、测量转速时，最好将电机固定，以免其振动影响到电机运转。七、 实验总结总结本次实验中遇到的一些问题和难点，以及所学到的新知识，对永磁无刷直流电机的一些新认识。单相无刷直流电机实验实验报告一、 实验目的a通过动手拆卸风扇，观察内部结构，了解单相直流无刷电机的物理

9、结构；b通过对直流无刷电机驱动电路的测试、分析，学习单相直流无刷电动机的控制方法；c通过自行设计实验，测试直流无刷电动机驱动电路的电气特性以及直流无刷电动机的调速特性。二、 实验设备本实验的实验对象为轴流风扇用直流无刷电动机（DC Brushless Fan），型号为 NMB 2406KL-04W-B36，额定电流 0.14A。其所属型号系列（NMB 2406-04W-B30）的各项性能参数如下：实验用到的其它操作测试设备如下：万用表，电压源，示波器，光电反射式转速表，电烙铁等。三、 实验原理直流无刷电机结构散热风扇从通电切换磁场的方式区分，可以分为有刷和无刷两种。有刷电机寿命短，会产生电火花

10、。无刷电机没有碳刷的磨损，寿命长，容易高速运行，无火花，已逐渐取代有刷电机。使用直流无刷电机的风扇的组成结构如下图分为转子和定子两部分。转子包括扇叶、轴心、磁环、磁环外框及油圈。定子包括轴承、PCB 驱动电路等。驱动控制部分主要由霍尔元件，驱动芯片等组成。电机绕组部分，由矽钢片、漆包线和上下绝缘线架组成。矽钢片的功能是负责将磁极导出，以便于确定 N、S 的强弱；而绕组决定磁力线的方向性，包括N、S 极和控制信号，不断改变绕组极性，推动磁框运转，达到做功的目的。定子绕组多为四相（实际为单相串联）对称分布，即互成 90夹角。电 枢 N永 磁 转 子 定 子气 隙固定磁场部分：由磁环提供固定磁场，以

11、用于旋转时的动力。直流无刷电机工作原理通常直流电机的定子由永久磁钢组成，它的主要作用是为了在气隙中形成磁场，电机的电枢绕组通电后能够产生感应磁场，电机在运行过程中，由于电刷的作用，上述两个磁场的方向总是相互垂直，从而产生最大的输出转矩。单相直流无刷电机中除掉了电刷，为了实现无电刷换向，首先将直流电机的电枢绕组至于其定子位置上，相对应的将永久磁钢置于其转子位置上，这和传统直流电机的结构相反，但是这样做并不够，由于使用直流电源给定子绕组供电时，只能够产生不能移动的磁场，但转子磁钢所产生的磁场总是处于运动状态，所以他们不能够相互垂直，这样也就不能够驱动转子旋转。因此，单相直流无刷电机系统除了电机转子

12、和定子组成本体之外，还需要由控制电路、位置传感器及功率逻辑开关构成的换向装置。上述组合在一起才使得单相直流无刷电机运行过程中定子绕组产生的磁场与转子磁钢转动产生的磁场，在空间中始终保持90左右的电角度，从而驱动电机不断的旋转。单相直流无刷电机的绕组形式有两种：双极性绕组和双绕线绕组。启动电压：是指当突然通电后，能够使风扇启动的最小电压，这是由控制芯片的工作电压等决定的。风扇除正负两条电源线以外，还有第三条线，输出 RD信号。RD 信号的作用是供外部系统计算风扇的转速,还有当风扇出现异常停止转动时,信号线输出高压信号反馈给系统报警。四、 实验要求4） 拆卸电机仔细观察轴流风扇用直流无刷电动机，拆

13、开电机，注意不要损坏电机和PCB电路。5） 分析电机结构与电路分析电机的物理结构以及控制驱动电路的元件及工作原理，画出电路原理图。6） 设计实验方案根据实验对象的特点，设计实验方案。要求测量出电机的调速特性曲线、始动电压、电压-电流关系曲线。五、 实验步骤与实验数据1、拆卸电机，观察内部结构。转子的拆卸：撕开后面不干胶商标，压住转子，用镊子或尖嘴钳从尾轴端部抠出轴塑料扣环，拔出转子。定子拆卸：定子是热压塑料固定的，需要从后尾用尖头电烙铁烫开一圈才能拆下，易损坏，要小心，烙铁不能烫的太深，以免损坏 PCB板上的元器件。如果损坏，则根据对电路板的分析确定监测点，在完好的电机背后钻孔，焊接检测引线测

14、量。转子与风扇叶片做成一体，风扇叶片内套有环形的永磁体。在转子轴上套有一个弹簧，轴上有一圈凹槽，用来卡住塑料扣环。定子固定在控制驱动 PCB板上，PCB 板固定在风扇架上。定子有四个绕组，实际为各绕串联，最终形成 N-S-N-S的两对极的单相系统。由于风扇是单向供霍尔元件弹簧轴承电的，所以要产生 N-S-N-S这样两对极，则必然相邻的两个绕组虽然通同向的电流，必需要反向绕制。按照理论知识来讲，单相无刷直流电机气隙磁路应该是不对称的，只有这样才能获得启动转矩，然而，在实验过程中，我并没有发现磁路的不对称。控制驱动 PCB板上有控制芯片 LB1861M和 LM393。此外霍尔元件穿透 PCB板，以

15、便能够对转子磁极方向检测，并向驱动芯片输送控制信号。2、分析电机结构和 PCB电路。分析记录电机的结构，通过测试 PCB电路各焊点，绘制控制驱动电路原理图，分析控制原理。使用万用表测量 PCB上各焊点，得到控制驱动电路原理图如上图。主要元件有：IC 为驱动控制芯片 LB1861M，H 为双极性霍尔元件。输入端的二极管用来防止电源反接以提高系统的安全性。通过查找 LB1861的数据手册，该电路的驱动控制原理如下图显然，Vct 与 Vrt比较，决定输出电平的高低。通过控制 Vct和 Vrt，就可以控制占空比，进而控制绕组电压，决定转速。这就是系统调速的原理。然而我没有研究明白的地方是，由于 Vct

16、（锯齿波）和 Vrt（直流信号）都是随 Vin变化而变化，而 Vin是随 Vcc变化而变化，并且这所有的变化关系都不是线性的。所以，很难定量分析出系统的输出占空比和系统输入是线性关系。3、分析测试控制电路电气特性。通过测试分析得到的电路图，在霍尔元件的 IN+,IN-以及 LB1861的 OUT1端 OUT2焊接引线，在绕组端 W1、W2 焊接测试引线，用于示波器观测。为了便于观察，可以测量 IN+、IN-间的波形，以及 OUT1、OUT2 间的波形。通过调节电压源电压大小，测试电机启动电压。并测试控制芯片及霍尔元件的输出信号。示波器探头接 RD与地，观测 RD信号。测试点的选择：1 Vcc

17、8 IN-2 GND 9 HALL直流偏置3 Vin 10 Rt4 RD 11 Ct5 OUT1 12 LM393电源6 OUT2 13 LM393同相输入端电压7 IN+蓝线为 out，绿线为 Vrt，黄线为 VctRD信号为与驱动源同频的方波，用于外部系统计算控制风扇转速以及判断风扇是否工作正常。黄色为霍尔信号，蓝色为 RD 信号RD的频率和霍尔信号频率成正比，进而和转速成正比。RD 信号干扰比较大。霍尔元件穿过 PCB板，通过霍尔效应，检测转子极性，产生 IN+、IN-信号，输出给 LB1861。实际测得的波形并不是正弦波，而是如下图：IN+和 IN-由于霍尔信号不是严格的正弦信号，所以

18、对换相的准确性会有影响。蓝色为 LM393 正电源，黄色为 LM393 同相输入端，绿色为霍尔偏置电压以上三个信号均为直流量，并且与输入 Vcc成正比。当 Vcc=4.7V时，n=1260rpm，out 信号波形如下：当 Vcc=8.6V时，n=1370rpm，out 信号波形如下给定电压增大，占空比增大，转速提高。4、关于换相。换相是无刷直流电机一个很重要的问题。红色圆点为霍尔传感器的位置显然，霍尔信号频率 f1，电机转速 n，换相频率 f2的关系为f2=2f1,n=30f1Hall 信号和绕组电压波形的对应关系下面，我们看一下实际测得的波形。绿色为 hall 信号，蓝色为绕组两端电压。换相

19、之后，电压反相显然，由于绕组电压波形很不理想，导致结果不是很明显，应当说，频率的对应关系还是能看出来的。由于 hall信号不是正弦波，导致换相不准确。加上一些我没弄清楚的原因，结果绕组电压波形与方波有一定差别。5、测试电机的机械特性。考虑到电机绕组的电流无法直接测量，同时母线电流又有一部分供给了LM393和 LB1861，所以，母线电流和绕组电流应该有一定的差别。同时实际测得的母线电流波形波动干扰很大，所以这里没有分析有关电流的特性。在风扇的一个叶片上粘贴一个小黄色胶布，如此可通过使用光电反射式转速表测试电机转速 n。在启动电压的基础上逐步增加电压至额定电压，读取并记录电机转速 n，驱动电源频

20、率 f。由电机本体物理结构为两对极的单相电机，且直流无刷电机为同步电机，可以得到转速与频率的关系为 n =60*f/2。误差定义为：（测量频率速度-测量转速）/测量频率速度。得到升压时的机械特性表为电压（V） 转速（rpm） 控制信号频率 （Hz） 速度与控制 信号误差4.2 2216 73 1.19%5.0 2533 83 1.73%5.9 2592 86 0.47%6.6 2628 88 -0.45%7.4 2643 90 -2.11%8.1 2709 92 -1.85%9.4 2821 95 -1.02%11.5 2982 98 1.43%12.2 3087 103 -0.10%13.3

21、 3228 108 -0.37%实验测得该风扇的启动电压约为 4.2V。电机在启动电压下工作时，转速较低，电流小，转矩也小，但是由于是风扇类负载，负载转矩与速度的平方成比例，因而，转速较低时负载也不会大，较小的启动转矩也是可以的。从表中可以看出速度与控制信号的误差很小，即两者之间无滑差，为同步电机。由于风扇的控制系统为开环控制，速度给定信号一直处于波动状态，所以通过示波器读取控制信号频率与光电反射式测速计测速测得的不是同一个速度值，会造成两者有计算出的正负偏差。从数据上也可以看出在 8V左右，误差比较大，在降压时测速时计算出的误差也表明这两个电压位置误差大，可能的原因有：一，这两个测速点上测速

22、时，电机本身产生的震动比较大，由于风扇没有固定，产生了震动，造成测速不准；二，芯片在这两个电压点附近控制出现错误，可能是霍尔提供的控制信号与驱动芯片输出的驱动量不一致造成。4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 142100230025002700290031003300转 速- 电 压 曲 线从图上可以看出，电压与转速近似成线性关系，也说明了电压与频率成等比例关系。在额定电压的情况下，逐步降低电压至初试运转电压，读取并记录电机转速 n，驱动电源频率 f。电压（V） 转速（rpm） 控制信号频率 （Hz） 速度与控制 信号误差13.3 3228 108 -0.37%12.0 3102

23、103 0.39%11.0 2974 99 0.13%9.9 2826 94 0.21%8.9 2793 92 1.20%7.9 2710 88 2.65%6.8 2632 86 1.24%5.6 2598 85 2.02%4.7 2485 82 1.02%4.1 2197 73 0.32%3.8 0 0 0从数据上可以看出转速与频率的误差很小，为同步运行。8V 时误差也是很大。但是系统最低工作电压约为 3.8V，比启动电压要低。4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 142100230025002700290031003300转 速- 电 压 曲 线电压与转速近似为线性关系。从以上的

24、拆卸图、实验数据及波形上可以看出，单相直流无刷电动机结构简单，单相供电，其控制特性接近直流电机，即电压与转速成比例，控制规则简单，且表现出了其同步电机的特性。用 LB861这种专用驱动芯片，使控制驱动电流简单。虽然其起动转矩不大，转矩脉动较大，但是对于散热风扇等对起动转矩及运行负载平稳性要求不高的场合，采用单相直流无刷电机，能够提供比有刷的直流电机更高的转速，而且电机结构，控制电路简单，可以节约成本。六、 实验总结本次实验让我对无刷直流电机的结构和工作原理有了更加深刻的理解。不是书本上抽象的描述，通过实际的拆卸电机，才能理解电机绕组的特点和相应的作用，为什么不能反转，为什么绕组要反接等等。同时通过自己的实践，发现了一些以前不曾考虑到的问题，比方说霍尔传感器要如何分布等等。这次实验我遇到的最大困难是 PCB控制电路原理的分析。由于 LB1861数据手册写的很粗糙，所以我只大概理解了电路的工作原理，很多细节问题还有待更深入的学习。实验的原理看似简单，但具体操作时，才发现会有很多小的问题。正是这些小的积累，让我一步步提高。