永磁无刷直流电动机

第五章三相永磁无刷直流电动机控制系统引子1、普通永磁直流电机的缺点：有刷结构，导致电机结构复杂，滑动接触，导致维护维修量大。2、三相永磁无刷直流电机的无刷结构消除了故障的主要根源主要内容第一节结构和原理用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极用具有三相绕组的定子取代电枢用逆变器和转子位置检测器组成的电子换向器取代有刷直流电动机的机械换向器和电刷1.三相永磁无刷直流电动机的结构特点2.三相永磁无刷直流电动机的转子位置传感器3.三相直流无刷电动机的换向原理与一般的永磁有刷直流电动机相比较结构特点属于三相永磁同步电动机的范畴目前采用的永磁材料主要有铁淦氧、铝镍钴、钕铁硼以及SmCO5和Sm2CO1H/A·m-1铝镍钴1．20．6B／T1．0．8．40．203×106/4π2×106/4π4×106/4π1×106/4π5×106/4π铁淦氧钕铁硼合金SmCO3Sm2CO17几种永久磁铁的磁特性对比转子上安置永久磁铁的方式外装式将成型永久磁铁装在转子表面内装式将成型永久磁铁埋入转子里面d轴q轴q轴d轴转子转子SNNSSNNS永磁体转子的不同结构永久磁铁的形状可分为扇形和矩形两种铁心定子线圈永久磁铁永久磁铁非磁体永久磁铁非磁体铁心铁心a﹚扇形磁铁转子b﹚矩形磁铁转子SSSSSSSSSSNNNNNNNNNNSSSNNNNS矩形磁铁转子适于大容量电机，且适于高速运转分类转子结构所对应的每相励磁磁势分布的不同正弦波型方波型每相励磁磁势分布是正弦波状每相励磁磁势分布呈方波状稀土永磁方波型电动机属于永磁无刷直流电动机的范畴稀土永磁正弦波型电动机则一般作为三相交流永磁同步伺服电动机来使用电动势与电流波形永磁无刷直流电动机的转子磁极采用瓦形磁钢，经专门的磁路设计，可获得梯形波的气隙磁场，定子采用集中整距绕组，因而感应电动势也是梯形波的。由逆变器提供与电动势严格同相的方波电流，同一相（例如A相）的电动势eA和电流波iA形图如图所示。eAiAIPEPiAeAOt由于各相电流都是方波，逆变器的电压只须按直流PWM的方法进行控制，比各种交流PWM控制都要简单得多，这是设计梯形波永磁同步电动机的初衷。然而由于绕组电感的作用，换相时电流波形不可能突跳，其波形实际上只能是近似梯形的，因而通过气隙传送到转子的电磁功率也是梯形波。转矩脉动如图所示，实际的转矩波形每隔60°都出现一个缺口，而用PWM调压调速又使平顶部分出现纹波，这样的转矩脉动使梯形波永磁同步电动机的调速性能低于正弦波的永磁同步电动机。图梯形波永磁同步电动机的转矩脉动如何区分取决于电动机控制系统的控制方式取决于电动机的转子位置传感器的类型正弦波永磁同步电动机一般采用旋转变压器、绝对式光电脉冲编码器或增量式光电脉冲编码器作为位置检测元件。永磁无刷直流电动机（方波电动机）一般采用简易型的位置检测器，该器件不能用来检测转子的精确位置，其检测精度通常只有60度（电角度）。其主要作用是为了满足电动机换相的要求。位置传感器作用是检测主转子在运动过程中的位置，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向，形成气隙中步进式的旋转磁场，驱动永磁转子连续不断地旋转。位置传感器的种类，有电磁式、光电式、磁敏式等霍尔效应当磁场中的导体有电流通过时，其横向不仅受到力的作用，同时还出现电压。洛伦兹力：qvBF对于一定的半导体薄片，其霍尔电压UdBIRUHH霍尔系数控制电流磁感应强度薄片的厚度霍尔传感器的原理当RH、IH和d都为固定值时，通过测量电压U就可测得磁感应强度B霍尔传感器按其功能和应用来分类线性型开关型直流无刷电动机的转子位置检测器属于开关型的传感器。直流无刷电动机的霍尔位置传感器位置传感器定子和位置传感器转子转子与电动机主转子一同旋转，以指示电动机主转子的位置，既可以直接利用电动机的永磁转子，也可以在转轴其他位置上另外安装永磁转子。定子由若干个霍尔元件，按一定的间隔，等距离地安装在传感器定子上，以检测电动机转子的位置。位置传感器的基本功能：在电动机的每一个电周期内，产生出所要求的开关状态数，以完成电动机的一个换流全过程。霍尔位置传感器必须满足的条件1)位置传感器在一个电周期内所产生的开关状态是不重复的，每一个开关状态所占的电角度应相等。2)位置传感器在一个电周期内所产生的开关状态数应和电动机的工作状态数相对应。三相无刷直流电动机，其位置传感器的霍尔元件的数量是3，安装位置应当间隔120º电角度，其输出信号波形图HaHbHc每360º电角度内给出了6个代码，按其顺序排列，6个代码是101、100、110、010、011、001。这一顺序与电动机的转动方向有关三相直流无刷电动机的换向原理电子换向器主回路451ABCXYZ326定子绕组的结构示意图Z654321BXCYA“定子空间扇区图”分析无刷电动机的换相过程利用“定子空间的扇区图”来分析换相过程，通过分析电动机的三相反电动势来理解换相过程。三相无刷直流电动机的换相过程“定子空间的扇区图”中共有6个扇区电动机的转子位置检测器的输出信号顺序地给出了6个代码定子磁场转子AYBCXZ定子电流的流向A相：由A端流入，由X端流出。C相：由Z端流入，由C端流出。B相绕组不通电。电子换向器主回路：1号开关管和2号开关管导通，其余的开关管都关断转子定子磁场ABCXYZ定子电流的流向A相：由A端流入，由X端流出。B相：由Y端流入，由B端流出。C相绕组不通电。电子换向器主回路：1号开关管和6号开关管导通，其余的开关管都关断转子ABCXYZ电子换向器主回路：5号开关管和6号开关管导通，其余的开关管都关断定子电流的流向A相：不通电。B相：由Y端流入，由B端流出。C相：由C端流入，由Z端流出。定子磁场定子磁场转子ABCXYZ电子换向器主回路：5号开关管和4号开关管导通，其余的开关管都关断定子电流的流向A相：由X端流入，由A端流出。B相：不通电C相：由C端流入，由Z端流出定子磁场转子ABCXYZ电子换向器主回路：4号开关管和3号开关管导通，其余的开关管都关断定子电流的流向A相：由A端流入，由X端流出。B相：由B端流入，由Y端流出。C相绕组不通电。定子磁场转子ACZXBY电子换向器主回路：3号开关管和2号开关管导通，其余的开关管都关断定子电流的流向A相绕组不通电B相：由B端流入，由Y端流出。C相：由Z端流入，由C端流出。结论定子的磁场是步进地、跨越地前进的，每步跨越60º电角度，而转子当然是连续地运行的。无刷直流电动机换相状态扇区1号6号5号4号3号2号通电相序ACBCBAC导通的开关管2管和1管6管和1管5管和6管4管和5管3管和4管2管和3管无刷直流电动机的基本物理量有电磁转矩、电枢电流、反电势和转速等。这些物理量的表达式与电动机气隙磁场分布、绕组形式有十分密切的关系。理想的方波气隙磁场OB2梯形波反电动势和方波电流2tOei本节主要内容1.电枢绕组的反电势2.电磁转矩3.无刷直流电动机的数学模型电枢绕组的反电势BLve60260npnDv设定子每相绕组串联的匝数是w每相绕组的反电势nLBwpweEX6042线电势E为两相电势之和ncnwpEEeX1522反电势系数LB计算极弧系数电磁转矩方波电动机的电磁转矩T是由两相绕组的合成磁场与转子的磁场相互作用而产生的。EITICIwpnnIwpTT4602152三相永磁方波电动机与永磁直流电动机有完全相同的反电势公式和转矩公式。无刷直流电动机的数学模型直接利用电动机本身的相变量来建立数学模型三相绕组的电压平衡方程cbacbacbacbaeeeiiidtdLMMMLMMMLiiirrruuu000000当采用Y型连接时，ia+ib+ic=0,cbacbacbacbaeeeiiidtdMLMLMLiiirrruuu000000000000)(1ccbbaaieieieT电磁转矩转矩波动是永磁无刷直流电动机在运行时的一个显著特点定子磁场和转子之间的夹角的变化，是导致转矩波动的主要原因。sinRSFKFT具有正弦波磁场，但按照无刷直流电动机的工作方式运行的三相永磁电动机来说，其转矩波动的幅度是比较大的。AYBCXZ定子磁场转子方波电动机引起转矩波动的原因1)齿槽效应和磁通畸变引起的转矩脉动2)谐波引起的转矩脉动3)电枢反应的影响4)相电流换向引起的转矩脉动5)由于机械加工引起的转矩波动三相永磁方波电动机从原理上说，电动机的电磁转矩应当是平稳的，无波动的，但实际上，转矩的波动仍然是存在的，只不过与前面分析的情况相比，波动要小得多。无刷直流电动机的应用小功率无刷直流电动机主要用于计算机外围设备、办公室自动化设备和音响影视设备中在家用电器中的空调器、电冰箱、风扇、洗衣机在航空、军事设施应用领域里的雷达驱动、机载武器瞄准驱动、自行火炮火力控制驱动等等，在工业控制领域，机器人关节驱动和自动生产线、电子产品加工装备上的各种中小功率的驱动电动自行车、自动感应门1.开环型无刷直流电动机驱动器2.速度闭环的无刷直流电动机驱动器3.速度电流双闭环的无刷直流电动机驱动器换相控制逻辑电路开环型无刷直流电动机驱动器256134方向信号脉宽调制器速度控制信号4365过电流保护驱动21驱动驱动驱动驱动驱动426531HaHbHc电子换相器主电路扇区与导通的开关管的对应关系扇区1号6号5号4号3号2号Ha、Hb、Hc101100110010011001正转时（DIR=1）导通的开关管2、16、15、64、53、42、3反转时（DIR=0）导通的开关管5、44、33、22、11、66、5设1号～6号开关管的控制信号分别为K1～K6。可以得出逻辑表达式如下：K1=Ha/HbDIR+/HaHb/DIRK2=/HbHcDIR+Hb/Hc/DIRK3=/HaHcDIR+Ha/Hc/DIRK4=/HaHbDIR+Ha/Hb/DIRK5=Hb/HcDIR+/HbHc/DIRK6=Ha/HcDIR+/HaHc/DIRPWM调速电路实用的脉宽调制电路+U+R2R1UtPWMUcVccVcc输入的控制信号三角波信号Uc=0,要求脉宽调制器输出为恒定的低电平PWM信号的频率，是由三角波信号的频率决定的，在目前实际的无刷直流电动机控制系统中，这一频率一般都在10KHZ以上。调节PWM信号的占空比，来调节电动机的定子电枢电压，从而实现调速。U+=ηUc+(1-η)Ut保护电路过流保护在主回路中的直流母线上取得过流反馈信号，在过流保护环节中与设定的保护值相比较，如果超过了保护值就引发了保护动作，一般是封锁逆变器中的开关管，从而实现保护。PWM信号与换相控制信号的合成123456将PWM信号和换相控制信号相“与”组合，调节PWM信号的占空比来调节电动机的定子电枢电压，从而实现调速。速度闭环的无刷直流电动机驱动器结构图66速度反馈环节换向逻辑逆变器合成PWM速度控制器M位置传感器～辨向和6倍频处理电路CPHaQ0HcHbQ1Q2Q3Q4Q5CPZCPF倍频辨向电动机正转时543211211109876210Q1Q2Q3Q4Q5Q110001、100011、000111、001110、011100、、111000这6个代码是正转序列中独有的，是表示正转特征的代码。“公共代码”：110011、000011、001111、001100、111100、110000电动机反转时123211110987654210Q1Q2Q3Q4Q5Q001101、001011、010011、1