无刷直流电机课件

特种电机及其控制1特种电机及其控制孙建忠白凤仙编著中国水利水电出版社大连理工大学电气工程系2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3三相三状态BLDCM原理传感器：H1=1H2=0H3=1导通相：B特种电机及其控制4传感器：H1=1H2=0H3=0导通相：B特种电机及其控制5传感器：H1=1H2=1H3=0导通相：C特种电机及其控制6传感器：H1=0H2=1H3=0导通相：C特种电机及其控制7传感器：H1=0H2=1H3=1导通相：A特种电机及其控制8传感器：H1=0H2=0H3=1导通相：A特种电机及其控制9传感器：H1=1H2=0H3=1导通相：B特种电机及其控制101.1无刷直流电动机系统1.1.1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11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12NSNSNSNS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13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142.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152.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162.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172.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182.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19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203.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214.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22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。1.1.2基本工作原理特种电机及其控制23工作原理磁极图示位置→位置信号→逻辑变换→V1、V6开通→A、B相导通→I:E+-A-B-E-→电机顺时针旋转磁极转过60o图示位置→位置信号→逻辑变换→V1、V2开通→A、C相导通→I:E+-A-C-E-→电机顺时针旋转转子每转过60o，逆变器开关管换流一次、定子磁状态改变一次，电机有6个磁状态，三相各导通120o——两相导通三相六状态转子磁场顺时针连续旋转、定子磁场隔60O跳跃旋转——自同步电机特种电机及其控制24两相导通星形三相六状态时绕组和开关管导通顺序表特种电机及其控制251.1.3无刷直流电动机与永磁同步电动机由变频器供电的永磁同步电动机加上转子位置闭环控制系统后构成自同步永磁电动机，既具有永磁直流电动机的优异调速性能，又实现了无刷化。无刷直流电动机与永磁同步电动机两种驱动模式的波形比较如下图所示。无刷直流电动机出力大、控制简单、成本低，其调速性能已能达到低速转矩脉动小于3％、调速比大于1:10000的水平，因而越来越多地受到人们的青睐。特种电机及其控制26iaBBeaeaiaTaTaTeTettttttttttOOOOOOOOOO(a)无刷直流电动机(b)永磁同步电动机特种电机及其控制271.2无刷直流电动机的主电路及其工作方式无刷直流电动机的主电路主要有星形联结三相半桥式、星形联结三相桥式和角形联结三相桥式三种形式。1.2.1星形连接三相半桥主电路VT3USABCVT1VT2H1H2H3特种电机及其控制28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291.2.2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301.二二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31三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322.三三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331.2.3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341.二二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352.三三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361.3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37AZBXCYFaFrNSIFaqFadII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38admsin2sin2sin222mmmaawFFFIWK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391-4无刷直流电动机基本公式与数学模型无刷直流电机的磁场、电势、电流波形方波电动机——梯形波反电势与方波电流特种电机及其控制401.4.1无刷直流电动机的数学模型假设(1)电动机的气隙磁感应强度在空间呈梯形(近似为方波)分布；(2)定子齿槽的影响忽略不计；(3)电枢反应对气隙磁通的影响忽略不计；(4)忽略电机中的磁滞和涡流损耗；(5)三相绕组完全对称。直接利用电动机本身的相变量来建立数学模型特种电机及其控制41三相绕组的电压平衡方程为定子相绕组电压定子相绕组电流定子相绕组自感、互感定子相绕组电动势微分算子cbacbacbacbaeeeiiidtdLMMMLMMMLiiirrruuu000000特种电机及其控制42当三相绕组为Y连接，且没有中线，则：ia+ib+ic=0Mia+Mib=-MicMib+Mic=-MiaMia+Mic=-MibcbacbacbacbaeeeiiidtdMLMLMLiiirrruuu000000000000所以得电压方程：特种电机及其控制43无刷直流电动机的等效电路如图所示rLMecUSVD1VD4VT1VT4VD5VD2VT3VT6VD3VD6VT5VT2rLMea+-+-+-iaibicrLMebABC特种电机及其控制441.4.2无刷直流电动机的反电动势无刷直流电动机气隙磁密及反电动势波形如下图所示特种电机及其控制45设电枢绕组导体的有效长度为La，导体的线速度为v，则单根导体在气隙磁场中感应的电动势为(V)vLBea60260npnDv(m/s)如电枢绕组每相串联匝数为W，则每相绕组的感应电动势幅值为nCnpWeWEeim152aiLB特种电机及其控制461.4.3无刷直流电动机稳态性能的动态模拟依据基尔霍夫定律，可得换相过程中的电路方程为()0()0acMaaMccbcMbbMccSabcdidiLrieLriedtdtdidiLrieLrieUdtdtiii续流结束后，换相完成，电路方程变为：0)(cbScccMbbbMiiUeridtdiLeridtdiL以上两式构成了无刷直流电动机的线电压模型特种电机及其控制471.4.4无刷直流电动机稳态性能的简化分析为了简化分析，假设不考虑开关器件动作的过渡过程，并忽略电枢绕组的电感。这样，无刷直流电动机的电压方程可以简化为：22STaUUErI式中UT——开关器件的管压降；Ia——电枢电流；E——线电动势，即电机的反电动势。特种电机及其控制48对于三相六状态无刷直流电动机，任一时刻都有两相绕组导通，故电机的反电动势为2215meipWEEnCn式中Ce——电机的电动势常数，iepWC152电枢绕组的电流为rEUUITSa22在任一时刻，电机的电磁转矩由两相绕组的合成磁场和转子磁场相互作用产生，则42maaeaTaipWEIEITICI特种电机及其控制49电机的转速为eaTSCrIUUn22空载转速为pWUUpWUUCUUnTSiiTSeTS25.7152220电动势系数为ieepWCnEK152转矩系数为aiTaeTIpWCITK4特种电机及其控制501-5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51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521.5.3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531.6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