最新2019-第7章无刷直流电动机-PPT课件

温故知新1、直流伺服电动机工作原理，换向器和电刷的作用？（P35）2、交流同步伺服电动机工作原理（P54）直流伺服电机交流伺服电机第7章无刷直流电动机BrushlessDCMotors(BLDCMs)47.1无刷直流电动机系统7.1.1概述及基本组成无刷：克服传统直流电动机机械换向方式缺点优点：调速性能好，体积小质量轻，效率高，转动惯量小，无励磁损耗应用领域：航空航天，机器人，数控机床等精密传动领域57.1无刷直流电动机系统7.1.1概述及基本组成位置传感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6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7NSNSNSNS表面式磁极NNNNNNSSSSSS嵌入式磁极NSNSNSNS环形磁极内转子结构形式8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92.逆变器作用：控制电机定子各相绕组通电顺序和时间。分类：半桥式（半控）桥式（全控）102.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112.逆变器2)桥式——全控型c)星形联结三相桥式主电路USVD1VD4VT1VT4VD5VD2VT3VT6VD3VD6VT5VT2ABC122.逆变器d)三角形联结三相桥式主电路2)桥式——全控型USVD1VD4VT1VT4VD5VD2VT3VT6VD3VD6VT5VT2ABC13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3.位置传感器位置传感器：实时检测转子位置153.位置传感器位置传感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164.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17逆变器、位置传感器与控制器控制器：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位置传感器：实时检测转子位置逆变器：控制电机定子各相绕组通电顺序和时间三者共同组成换相装置，起到电子换向器作用18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。7.1.2基本工作原理19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20两相导通星形三相六状态时绕组和开关管导通顺序表21无刷直流电动机回顾1、系统组成及各部分作用2、简述工作原理227.2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。7.2.1星形连接三相半桥主电路VT3USABCVT1VT2H1H2H323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。24三相三状态BLDCM原理传感器：H1=1H2=0H3=1导通相：B25传感器：H1=1H2=0H3=0导通相：B26传感器：H1=1H2=1H3=0导通相：C27传感器：H1=0H2=1H3=0导通相：C28传感器：H1=0H2=1H3=1导通相：A29传感器：H1=0H2=0H3=1导通相：A30传感器：H1=1H2=0H3=1导通相：B317.2.2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。321.二二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。每一瞬间只有两个功率管导通33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34两相导通星形三相六状态时绕组和开关管导通顺序表35三相绕组的反电动势波形及其二二导通方式下的导通规律2.三三导通方式每一瞬间有三个功率管同时导通372.三三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387.3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39AZBXCYFaFrNSIFaqFadII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40admsin2sin2sin222mmmaawFFFIWK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。417-4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427.4.1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43三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cbacbacbacbaeeeiiidtdLMMMLMMMLiiirrruuu00000044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：45无刷直流电动机的等效电路如图所示rLMecUSVD1VD4VT1VT4VD5VD2VT3VT6VD3VD6VT5VT2rLMea+-+-+-iaibicrLMebABC467.4.2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47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487.4.3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497.4.4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。50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51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4527-5无刷直流电动机的运行特性7.5.1机械特性22222STaSTeeeeTUUrIUUrnTCCCC机械特性曲线堵转转矩为rUUCICTTTstTst2253调节特性7.5.2调节特性调节特性的始动电压和斜率分别为TTeUCrTU220eCK1547-6无刷直流电动机转子位置信号的检测7.6.1转子位置传感器•磁敏式位置传感器——霍尔元件•电磁式位置信感器——高频线圈•光电式位置信感器——光耦合器件55置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场垂直，则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场，这个现象是霍普金斯大学研究生霍尔于1879年发现的，后被称为霍尔效应。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础，是一种磁传感器。可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔传感器主要有两大类，一类为开关型器件，一类为线性霍尔器件。56HallIC霍尔元件磁电转换HallIC霍尔元件功能方框图57HallIC安装方式第一种方式：将霍尔元件粘贴于电机端盖内表面，靠近霍尔元件并与之有一小间隙处，安装着与电机轴同轴的永磁体。第二种方式：直接将霍尔元件敷贴在定子电枢铁心气隙表面或绕组端部紧靠铁心处，利用电机转子上的稀土磁体主极作为传感器的水滋体，根据霍尔元件的输出信号即可判断转子磁极的位置，将信号放大处理后便可驱动逆变器工作。58HallIC安装示意图1、三个霍尔元件在空间依次相差120o电角度2、传感器磁极与转子磁极同轴旋转、极数相等、极性相对应59电磁式位置传感器的定子由磁芯、高频激磁绕组和输出绕组组成，转子由