永磁无刷直流电机

永磁电机及其控制原理第三讲永磁无刷直流电机第三讲永磁无刷直流电机PMBLDCMpermanentmagetbrushlessDCmotorz1.概述–永磁有刷直流电机与传统他励直流电机特性类似–永磁无刷直流电机用电子换向器取代机械换向器–永磁体励磁不可调节–结构更加简单、维护方便、起动性能和调速性能优–功率密度高，体积小，广泛用于传动系统–机电一体化第二讲永磁无刷直流电机z1.电机结构第二讲永磁无刷直流电机z2.转子磁极结构第二讲永磁无刷直流电机z2.转子磁极结构第二讲永磁无刷直流电机z3.工作原理第二讲永磁无刷直流电机z3.工作原理第二讲永磁无刷直流电机z3.工作原理第二讲永磁无刷直流电机z3.工作原理第二讲永磁无刷直流电机z3.工作原理第二讲永磁无刷直流电机z4.逆变器拓扑结构第二讲永磁无刷直流电机z5.位置传感器–霍尔传感器第二讲永磁无刷直流电机z5.位置传感器–光电传感器第二讲永磁无刷直流电机z5.位置传感器–电磁式位置传感器第二讲永磁无刷直流电机z6.永磁无刷电机的稳态计算第二讲永磁无刷直流电机z6.永磁无刷电机的稳态计算第二讲永磁无刷直流电机z6.永磁无刷电机的稳态计算第二讲永磁无刷直流电机z6.永磁无刷电机的稳态计算第二讲永磁无刷直流电机z6.永磁无刷电机的稳态计算第二讲永磁无刷直流电机z6.永磁无刷电机的稳态计算第二讲永磁无刷直流电机z6.永磁无刷电机的稳态计算第二讲永磁无刷直流电机z7.永磁无刷直流电动机主要波形第二讲永磁无刷直流电机z8.电机的暂态数学模型–由于稀土永磁无刷直流电动机的气隙磁场、反电势以及电流是非正弦的，因此不能采用直、交铀坐标变换的分析方法。通常，直接利用电动机本身的相变量来建立数学模型。第二讲永磁无刷直流电机z8.电机的暂态数学模型–假设不计磁路饱和，不计涡流和磁滞，三相对称，则其电压方程为：⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡cbacbacbacbaeeeiiipLMMMLMMMLiiiRRRuuu000000定子、相电压定子相电压相感应电势相绕组自感两相绕组互感微分算子第二讲永磁无刷直流电机z8.电机的暂态数学模型–上述模型中，电流为三相对称方波、电势为梯形波.–对于表面式电机，转子磁阻不随转子位置变化，因此自感和互感为常数第二讲永磁无刷直流电机z8.电机的暂态数学模型–当三相绕组Y接，且没有中线，则：:,0代入模型，有并且：acbcbaMiMiMiiii−=+=++⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡−−−+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡cbacbacbacbaeeeiiipMLMLMLiiiRRRuuu000000000000)(1ccbbaaieieieT++=ω电磁转矩为：第二讲永磁无刷直流电机z8.电机的暂态数学模型)(ccbbaaeieieieP++=电磁功率为：dtdJTTLeΩ=−转子运动方程为：第二讲永磁无刷直流电机z8.电机的暂态数学模型–根据电压方程可以建立等效电路模型：⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡−−−+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡cbacbacbacbaeeeiiipMLMLMLiiiRRRuuu000000000000第二讲永磁无刷直流电机z8.电机的暂态数学模型–根据电压方程还常写成状态方程的形式：⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡−−−+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡cbacbacbacbaeeeiiipMLMLMLiiiRRRuuu000000000000⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡−⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡−⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡−−−=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡cbacbacbacbaeeeiiiRRRuuuMLMLMLiiip000000*100010001第二讲永磁无刷直流电机z9.永磁无刷电机的电枢反应–A、B相通电时产生电枢磁场Fa–转子磁场Fm在60度范围内不换相–Fa分解为d、q轴磁场–当转子磁场在B方向时去磁昀大–当转子磁场在X方向时助磁昀大–当转子磁场在BX中间位置时无去助磁因此在一个60度的磁状态内，电枢磁场从昀大去磁逐渐减小到30度处的不去磁不助磁，然后逐渐增大到昀大助磁状态后，换相、进入新的一个磁状态第二讲永磁无刷直流电机z9.永磁无刷电机的电枢反应助磁或去磁的昀大值：WaaaaadNkIFFFF===5.030sin0q轴电枢反应使得主磁场波形畸变：对于径向充磁的转子，由于q轴磁阻大，q轴磁场引起的畸变较小对于切向充磁的转子，由于q轴磁阻小，q轴磁场引起的畸变较大，使得永磁体前极尖助磁，后极尖去磁第二讲永磁无刷直流电机z10.永磁无刷电机的运行特性–由于无刷永磁直流电机的稳态计算与直流机类似，所以其运行特性也与直流机类似z10.1机械特性：第二讲永磁无刷直流电机z当转子采用径向式结构，电机电感较小，电阻作用较大，电机具有硬的机械特性。1z当转子采用切向式结构，电机电感较大，机械特性较软。3z一般介于两者之间2z10.1机械特性：z有刷直流电动机参与换向的绕组元件相对较少，只考虑电阻的影响，忽略电感的作用。z无刷直流电动机．参与换向的绕组为一相绕组，而不是单个线圈，电感较大。当稀土木磁无刷直流电动机采用不同的转子结构时，电感和电阻对机械特性的影响并不相同：第二讲永磁无刷直流电机z10.1机械特性：z不同供电电压下，径向式结构的水磁无刷电机的机械持性曲线簇下弯是由于电流大、管压降增大第二讲永磁无刷直流电机z10.2调节特性10.2工作特性从机械待性和调节持性可以看出，稀土永磁无刷直流电动机具有和一般有刷直流电动机一样好的控制性能，可以通过改变电源电压实现无级调速。第二讲永磁无刷直流电机z11.永磁无刷直流电机转矩脉动–转矩脉动是无刷电机在低速运行时的一项十分重要的性能指标，通常高性能伺服系统的低速转矩脉动应小于3%。–造成转矩脉动的原因有：z电磁因素引起的转矩脉动z电流换向引起的转矩脉动z齿槽引起的转矩脉动z电枢反应影响z机械工艺引起的转矩脉动第二讲永磁无刷直流电机z11.1电磁因素引起的转矩脉动电磁转矩脉动是由于定子电流和转子磁场相互作用而产生的转矩脉动。它与气隙磁通密度的分布和电流的波形以及绕组的形式有直接的关系，为了便于分析，假定：(1)忽略齿槽、换向过程和电枢反应等影响；(2)电枢绕组在定子内表面均匀连续分布；(3)电机为二相导通星形三相六状态工作，气隙磁场方波。由于电机在每一个磁状态(60度电角度)内的电磁作用是相同的，故以下仅分析一个磁状态的转矩变化情况。第二讲永磁无刷直流电机z11.1电磁因素引起的转矩脉动方波宽：120-180度方波磁场轴线方波磁场轴线变化范围一个磁状态60度第二讲永磁无刷直流电机z11.1电磁因素引起的转矩脉动当a=90度时气隙磁场轴线与通电绕组A、C空间轴线重合，定转子磁场正交，产生昀大电磁转矩。当a=60或120度时气隙磁场，A、C相合成磁场，对转子磁场产生昀大直轴去磁或增磁电枢反应、此时电磁转矩为昀小值。第二讲永磁无刷直流电机z11.1电磁因素引起的转矩脉动第二讲永磁无刷直流电机z11.1电磁因素引起的转矩脉动第二讲永磁无刷直流电机z11.1电磁因素引起的转矩脉动第二讲永磁无刷直流电机z11.1电磁因素引起的转矩脉动第二讲永磁无刷直流电机z11.1电磁因素引起的转矩脉动第二讲永磁无刷直流电机z11.1电磁因素引起的转矩脉动第二讲永磁无刷直流电机z11.1电磁因素引起的转矩脉动第二讲永磁无刷直流电机z11.1电磁因素引起的转矩脉动第二讲永磁无刷直流电机z11.1电磁因素引起的转矩脉动第二讲永磁无刷直流电机z11.1电磁因素引起的转矩脉动反应了电磁转矩波动与方波磁密宽度的关系，随宽度增加，转矩脉动单调下降。当宽度=120时，转短脉动昀大，达到30％；当宽度=180时，电磁转矩脉动为零第二讲永磁无刷直流电机z11.1电磁因素引起的转矩脉动第二讲永磁无刷直流电机z11.1电磁因素引起的转矩脉动第二讲永磁无刷直流电机z11.2电流换向引起的转矩脉动无刷直流电动机每经过一个磁状态，定子绕组中的电流就要进行一次换向。每一次换向，电机中的电流从一相转移到另一相，并对电磁转矩产生一定影响。这种相电流换向也是引起转矩脉动的主要原因之一。下面分析两相导通星形三相六状态方波无刷直流电动机的换向转矩脉动机理。从AC到BC换相第二讲永磁无刷直流电机z11.2电流换向引起的转矩脉动用动态方程来分析换相过程对转矩的影响：⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡−−−+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡cbacbacbacbaeeeiiipMLMLMLiiiRRRuuu000000000000忽略电阻影响，设定：⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡cbacbaMMMcbaeeeiiipLLLuuu000000第二讲永磁无刷直流电机z11.2电流换向引起的转矩脉动用动态方程来分析换相过程对转矩的影响：对于回路1：回路1第二讲永磁无刷直流电机z11.2电流换向引起的转矩脉动用动态方程来分析换相过程对转矩的影响：回路2第二讲永磁无刷直流电机z11.2电流换向引起的转矩脉动用动态方程来分析换相过程对转矩的影响：第二讲永磁无刷直流电机z11.2电流换向引起的转矩脉动第二讲永磁无刷直流电机z11.2电流换向引起的转矩脉动A（0，I）B（0，0）第二讲永磁无刷直流电机z11.2电流换向引起的转矩脉动第二讲永磁无刷直流电机z11.2电流换向引起的转矩脉动第二讲永磁无刷直流电机z11.2电流换向引起的转矩脉动第二讲永磁无刷直流电机z11.2电流换向引起的转矩脉动C相反向通电，ec为负值（3-69）第二讲永磁无刷直流电机z11.2电流换向引起的转矩脉动第二讲永磁无刷直流电机z11.2电流换向引起的转矩脉动第二讲永磁无刷直流电机z11.2电流换向引起的转矩脉动第二讲永磁无刷直流电机z11.2电流换向引起的转矩脉动第二讲永磁无刷直流电机z11.3齿槽效应引起的转矩脉动第二讲永磁无刷直流电机z11.4电枢反应引起的转矩脉动第二讲永磁无刷直流电机z11.5机械加工和工艺引起的转矩脉动第二讲永磁无刷直流电机z11.6无刷直流电机转矩脉动规律示例：一般波形第二讲永磁无刷直流电机z11.6无刷直流电机转矩脉动规律示例：槽口极弧系数第二讲永磁无刷直流电机z11.6无刷直流电机转矩脉动规律示例：槽口极弧系数第二讲永磁无刷直流电机z11.6无刷直流电机转矩脉动规律示例：换相角的影响第二讲永磁无刷直流电机z11.6无刷直流电机转矩脉动规律示例：电流初值影响第二讲永磁无刷直流电机z12永磁无刷电机的控制器—开关主电路对于单相交流电源供电、电机采用三相电抠绕组时，其典型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：第二讲永磁无刷直流电机z12永磁无刷电机的控制器—开关主电路第二讲永磁无刷直流电机z12永磁无刷电机的控制器—驱动器第二讲永磁无刷直流电机z12永磁无刷电机的控制器—驱动器第二讲永磁无刷直流电机z12永磁无刷电机的控制器—驱动器IR公司推出的IR21xx系列集成芯片是MOS、IGBT功率器件专用栅极驱动芯片，通过自举电路工作原理，使其既能驱动桥式电路中低压侧的功率器件，又能驱动高压侧的功率元件，因而在电机控制、伺服驱动、UPS电源等方面得到广泛应用。这些器件集成了特有的负电压免疫电路，提高了系统耐用性和可靠性，有些器件不仅有过流、过温检测输入等功能，还具有欠压锁定保护、集成死区时间保护、击穿保护、关断输入、错误诊断输出等功能。第二讲永磁无刷直流电机z12永磁无刷电机的控制器—驱动器第二讲永磁无刷直流电机z1