第1章无刷直流电机.

特种电机及其控制1第1章无刷直流电动机及其控制系统PermanentMagnetBrushlessDCMotors(PMBLDCMs)特种电机及其控制2永磁电机0.1永磁材料什么是永磁材料？0.1.1永磁材料的特性0.1.2常见的永磁材料特种电机及其控制3特种电机及其控制4特种电机及其控制5特种电机及其控制60.1.3退磁曲线什么是退磁曲线？什么是磁能积？0.1.4回复线特种电机及其控制70.2永磁电机分类0.2.1永磁同步电机正弦波驱动永磁同步电机，一般简称为永磁同步电机。方波驱动永磁同步电机，即无刷直流电机。直流永磁电机交流永磁电机特种电机及其控制81无刷直流电动机系统1.1基本组成位置检测器逆变器电机本体控制信号控制器输出直流电源无刷直流电机构成框图特种电机及其控制9无刷直流电动机结构定子永磁转子传感器定子传感器转子(a)结构示意图(b)定转子实际结构1.电动机本体特种电机及其控制10NSNSNSNS表面式磁极NNNNNNSSSSSS嵌入式磁极NSNSNSNS环形磁极内转子结构形式特种电机及其控制11实际电机外转子绕组永磁体内定子结构示意图外转子无刷直流电动机特种电机及其控制12特种电机及其控制132.逆变器USABCDb)四相半桥主电路USABCa)三相半桥主电路1)非桥式（半桥式）——半控型特种电机及其控制142.逆变器2)桥式——全控型c)星形联结三相桥式主电路USVD1VD4VT1VT4VD5VD2VT3VT6VD3VD6VT5VT2ABC特种电机及其控制152.逆变器d)三角形联结三相桥式主电路2)桥式——全控型USVD1VD4VT1VT4VD5VD2VT3VT6VD3VD6VT5VT2ABC特种电机及其控制162.逆变器2)桥式——全控型e)正交两相全控型主电路USAB特种电机及其控制172.逆变器2)桥式——全控型f)封闭形联结四相桥式主电路USABCD特种电机及其控制18主电路选择原则绕组利用率：三相绕组优于四相、五相绕组转矩脉动：相数越多，转矩脉动越小电路成本：相数越多，电路成本越高星形联接三相桥式主电路应用最多特种电机及其控制193.位置检测器位置检测器有位置传感器检测无位置传感器检测磁敏式光电式电磁式接近开关式正余弦变压器编码器反电动势检测续流二极管工作状态检测定子三次谐波检测瞬时电压方程法特种电机及其控制204.控制器控制器模拟控制系统数字控制系统分立元件加少量集成电路构成的模拟控制系统基于专用集成电路的控制系统数模混合控制系统全数字控制系统控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心特种电机及其控制21永磁无刷直流电机系统图控制电路对转子位置传感器检测的信号进行逻辑变换后产生脉宽调制PWM信号，经过驱动电路放大送至逆变器各功率开关管，从而控制电动机各相绕组按一定顺序工作，在电机气隙中产生跳跃式旋转磁场。1.2基本工作原理特种电机及其控制22星形连接三相半桥主电路USABC特种电机及其控制23星形连接三相桥式主电路VT2VT6VT4VT1VT3VT5ABC+US-位置检测器的三个输出信号通过逻辑电路控制这些开关管的导通和截止，其控制方式有两种：二二导通方式和三三导通方式。特种电机及其控制241.二二导通方式三相绕组的反电动势波形及其二二导通方式下的导通规律特种电机及其控制252.三三导通方式三相绕组的反电动势波形及其三三导通方式下的导通规律特种电机及其控制26在三相半桥主电路中，位置信号有1/3周期为高电平、2/3周期为低电平，各传感器之间的相位差也是1/3周期，如图所示。0120240360480t0120240360480t0120240360480tH1H2H3旋转磁场在360电角度范围内有三种磁状态，每种磁状态持续120电角度。我们把这种工作方式叫做单相导通星形三相三状态。特种电机及其控制271.2.2星形连接三相桥式主电路VT2VT6VT4VT1VT3VT5ABC+US-位置检测器的三个输出信号通过逻辑电路控制这些开关管的导通和截止，其控制方式有两种：二二导通方式和三三导通方式。特种电机及其控制281.二二导通方式电机的瞬时电磁转矩可由电枢绕组的电磁功率求得：aabbcceEiEiEiT式中Ea、Eb、Ec———A、B、C三相绕组的反电动势；ia、ib、ic———A、B、C三相绕组的电流；——转子的机械角速度。可见，电磁转矩取决于反电动势的大小。在一定的转速下，如果电流一定，反电动势越大，转矩越大。特种电机及其控制29三相绕组的反电动势波形及其二二导通方式下的导通规律特种电机及其控制302.三三导通方式三相绕组的反电动势波形及其三三导通方式下的导通规律特种电机及其控制311.2.3角形连接三相桥式主电路VT2VT6VT4VT1VT3VT5C+US-ACB如图所示的角形联结三相桥式主电路的开关管也采用功率MOSFET。与星形联结一样，角形联结的控制方式也有二二导通和三三导通两种。特种电机及其控制321.二二导通方式电枢绕组的反电动势波形及其角形联结二二导通方式的导通规律特种电机及其控制332.三三导通方式电枢绕组的反电动势波形及其角形联结三三导通方式的导通规律特种电机及其控制341.3无刷直流电动机的电枢反应电动机负载时电枢绕组产生的磁场对主磁场的影响称为电枢反应。电枢绕组的合成磁动势变化如下图所示AZBXCYFaFrNSIFaqFadII如图所示，电枢磁动势的直轴分量Fad对转子主磁极产生最大去磁作用特种电机及其控制35AZBXCYFaFrNSIFaqFadII如图所示，电枢磁动势的直轴分量Fad对转子主磁极产生最大增磁作用。可见，在一个磁状态范围内，电枢磁动势在刚开始为最大去磁，然后去磁磁动势逐渐减小；在1/2磁状态时既不去磁也不增磁；在后半个磁状态内增磁逐渐增大，最后达到最大值。增磁和去磁磁动势的大小等于电枢合成磁动势Fa在转子磁极轴线上的投影，其最大值为特种电机及其控制36admsin2sin2sin222mmmaawFFFIWK式中F——每相绕组的磁动势；W——每相绕组的串联匝数；Kw——绕组系数。由于在无刷直流电动机中磁状态角比较大，直轴电枢反应磁动势可以达到相当大的数值，为了避免使永磁体发生永久失磁，在设计时必须予以注意。特种电机及其控制371.4霍尔位置传感器的工作原理1.4.1霍尔位置传感器1.4.2霍尔位置传感器的放置位置特种电机及其控制381.5无刷直流电动机的运行特性1.5.1机械特性22222STaSTeeeeTUUrIUUrnTCCCC机械特性曲线堵转转矩为rUUCICTTTstTst22特种电机及其控制39调节特性1.5.2调节特性调节特性的始动电压和斜率分别为TTeUCrTU220eCK1特种电机及其控制401.5.3工作特性工作特性×:实验值—：设计值120W样机效率特性特种电机及其控制411.6无刷直流电动机的转矩脉动1.6.1转矩脉动的定义及引起转矩脉动的原因转矩脉动定义为maxmin100%rNTTTT转矩脉动的主要原因(1)电磁因素引起的转矩脉动(2)换相引起的转矩脉动；(3)定子齿槽引起的转矩脉动；(4)电枢反应的影响；(5)机械工艺引起的转矩脉动特种电机及其控制421.7控制系统的实现控制器是无刷直流电动机的三大组成部分之一，它主要包括开关主电路(即逆变器)、驱动电路和控制电路。特种电机及其控制431、开关主电路对于单相交流电源供电、电机采用三相电枢绕组时，典型的开关主电路通常由整流电路、滤波电路、缓冲电路和逆变电路构成特种电机及其控制442、驱动电路驱动电路将控制电路的输出信号进行功率放大，并向各开关管送去能使其饱和导通和可靠关断的驱动信号。驱动电路的工作方式直接影响着开关管的一些参数和特性，从而影响着整个电机控制系统的正常工作。开关管的种类不同，对驱动信号的要求也不同，因而对应的驱动电路也不同。特种电机及其控制45常见集成驱动电路特种电机及其控制463、控制电路控制电路是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，它主要完成以下功能：1)对转子位置传感器输出的信号、PWM调制信号、正反转和停车信号进行逻辑综合,给驱动电路提供各开关管的斩波和选通信号,实现电机的正反转及停车控制。2)产生PWM调制信号，使电机的电压随给定速度信号而自动变化，实现电机开环调速。3)对电动机进行速度闭环调节和电流闭环调节，使系统具有较好的动态和静态性能。4)实现短路、过流和欠压等故障保护功能等。特种电机及其控制47控制电路的形式:1、分立元件全模拟电路——经济型2、专用集成控制电路——规模化、专用3、数模混合控制电路——半数字化(PID)4、全数字控制电路——高性能(MCUDSP)特种电机及其控制48基于MCS-96系列单片机的控制系统速度给定转向设定ACH0WG1WG1WG2WG2WG3WG3栅极驱动电路IR2130IGBT位置传感器P0.1逆变器BLDCMEPAP0.2P0.3P0.480C196MC过电压、过电流保护电路中断原理图特种电机及其控制49基于DSP的无刷直流电动机无位置传感器控制基于DSP的无位置传感器控制系统硬件速度给定键盘ADCINxPWM1|PWM6栅极驱动电路IR2130IGBTI/O逆变器BLDCMADCINx或CAPxDSPTMS320LF2407保护电路PDPINT位置检测电流检测ADCINx特种电机及其控制501.8无刷直流电动机的应用在电动车中的应用特种电机及其控制51特种电机及其控制52特种电机及其控制531.8无刷直流电动机的应用在计算机中的应用软盘驱动器主轴电动机结构转速为360rpm，稳速精度为0.1%，运行寿命1000h以上。特种电机及其控制54无刷直流电动机的应用在计算机中的应用硬盘驱动器主轴电动机结构转速为4500/5400/7500/10000rpm，稳速精度为0.1%，平均无故障时间4万h以上。磁头与盘面距离0.3-0.1µm。特种电机及其控制55无刷直流电动机的应用在计算机中的应用光驱驱动器主轴电动机结构特种电机及其控制56无刷直流电动机的应用在家用电器中的应用家用电器总的发展趋势是低噪声、节能型、智能化，对配套的电动机提出了更高的要求。面对这些要求，传统的单相异步电机往往不能很好地满足，为无刷直流电机的应用提供了机会。以空调用风扇电动机为例：特种电机及其控制57无刷直流电动机的应用在工业中的应用与其他类型电动机相比，无刷直流电动机具有以下优势：（1）动态响应快；（2）控制性能好；（3）体积小、重量轻；（4）效率高。特种电机及其控制58无刷直流电动机的应用在医疗器械中的应用磁悬浮血泵结构图