第1章 无刷直流电动机及其控制系统 《特种电机及其控制》教学课件.ppt

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1特种电机及其控制第第1 1章章 无刷直流电动机无刷直流电动机及其控制系统及其控制系统Permanent Magnet Brushless DC Motors (PM BLDCMs)2 大连理工大学电气工程系三相三状态BLDCM 原理传感器：H1=1 H2=0 H3=1导通相：B3特种电机及其控制传感器：H1=1 H2=0 H3=0导通相：B4特种电机及其控制传感器：H1=1 H2=1 H3=0导通相：C5特种电机及其控制传感器：H1=0 H2=1 H3=0导通相：C6特种电机及其控制传感器：H1=0 H2=1 H3=1导通相：A7特种电机及其控制传感器：H1=0 H2=0 H3=1导通相：A8特种电机及其控制传感器：H1=1 H2=0 H3=1导通相：B9特种电机及其控制1.1 1.1 无刷直流电动机系统无刷直流电动机系统1.1.1 基本组成 无刷直流电机构成框图10特种电机及其控制无刷直流电动机结构无刷直流电动机结构 (a) 结构示意图 (b) 定转子实际结构 1. 1. 电动机本体电动机本体 11特种电机及其控制表面式磁极 嵌入式磁极 环形磁极 内转子结构形式转子结构形式 12特种电机及其控制实际电机 结构示意图 外转子无刷直流电动机外转子无刷直流电动机 13特种电机及其控制2. 2. 逆逆变器变器b) 四相半桥主电路 a) 三相半桥主电路1) 非桥式（半桥式）——半控型14特种电机及其控制2. 2. 逆逆变器变器2) 桥式——全控型c) 星形联结三相桥式主电路 15特种电机及其控制2. 2. 逆逆变器变器d) 三角形联结三相桥式主电路 2) 桥式——全控型16特种电机及其控制2. 2. 逆逆变器变器2) 桥式——全控型e)正交两相全控型主电路 17特种电机及其控制2. 2. 逆逆变器变器2) 桥式——全控型f) 封闭形联结四相桥式主电路 18特种电机及其控制主电路选择原则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19特种电机及其控制3. 3. 位置检测器位置检测器 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20特种电机及其控制4. 4. 控制器控制器 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 21特种电机及其控制永磁无刷直流 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 1.1.2 基本工作原理基本工作原理 22特种电机及其控制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——自同步电机自同步电机 23特种电机及其控制两相导通星形三相六状态时绕组和开关管导通顺序表24特种电机及其控制1.1.3 1.1.3 无刷直流电动机与永磁同步电动机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。

25特种电机及其控制(a) 无刷直流电动机 (b) 永磁同步电动机 26特种电机及其控制1.2 1.2 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及其工作方式无刷直流电动机的无刷直流电动机的主电路主电路主要有星形联结三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 桥式三种形式桥式三种形式1.2.1 1.2.1 星形连接三相半桥主电路星形连接三相半桥主电路 27特种电机及其控制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 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28特种电机及其控制1.2.2 1.2.2 星形连接三相桥式主电路星形连接三相桥式主电路 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：二二导通二二导通 方式和三三导通方式方式和三三导通方式29特种电机及其控制1. 1. 二二导通方式二二导通方式 电机的瞬时电磁转矩可由电枢绕组的电磁功率求得 ： 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30特种电机及其控制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 31特种电机及其控制2. 2. 三三导通方式三三导通方式 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 32特种电机及其控制1.2.3 1.2.3 角形连接三相桥式主电路角形连接三相桥式主电路 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 33特种电机及其控制1. 1. 二二导通方式二二导通方式 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 34特种电机及其控制2. 2. 三三导通方式三三导通方式 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 35特种电机及其控制1.3 1.3 无刷直流电动机的电枢反应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如图所示，电枢如图所示，电枢 磁动势的直轴分磁动势的直轴分 量量F Fadad对转子主磁对转子主磁极产生最大去磁极产生最大去磁 作用作用 36特种电机及其控制如图所示，电枢磁如图所示，电枢磁 动势的直轴分量动势的直轴分量F Fadad 对转子主磁极产生对转子主磁极产生 最大增磁作用。

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37特种电机及其控制式中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生永久失磁，在设计时必须予以注意 38特种电机及其控制1-4 1-4 无刷直流电动机基本公式与数学模型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方波电动机————梯形波反电势与方波电流梯形波反电势与方波电流39特种电机及其控制1.4.1 1.4.1 无刷直流电动机的数学模型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直接利用电动机本身的相变量来建立数学模型 40特种电机及其控制三相绕组的电压平衡方程为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41特种电机及其控制当三相绕组为当三相绕组为Y Y连接，且没有中线，则连接，且没有中线，则： ia+ib+ic=0 Mia+Mib=-Mic Mib+Mic=-Mia Mia+Mic=-Mib所以得电压方程：所以得电压方程：42特种电机及其控制无刷直流电动机的等效电路如图所示无刷直流电动机的等效电路如图所示 43特种电机及其控制1.4.2 1.4.2 无刷直流电动机的反电动势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 44特种电机及其控制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) (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 45特种电机及其控制1.4.3 1.4.3 无刷直流电动机稳态性能的动态模拟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续流结束后，换相完成，电路方程变为 ： 以上两式构成了无刷直流电动机的线电压模型以上两式构成了无刷直流电动机的线电压模型 46特种电机及其控制1.4.4 1.4.4 无刷直流电动机稳态性能的简化分析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： 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 47特种电机及其控制对于三相六状态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 式中Ce ——电机的电动势常数， 电枢绕组的电流为电枢绕组的电流为 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 48特种电机及其控制电机的转速为电机的转速为 空载转速为空载转速为 电动势系数为电动势系数为 转矩系数为转矩系数为 49特种电机及其控制1-5 1-5 无刷直流电动机的运行特性无刷直流电动机的运行特性1.5.1 1.5.1 机械特性机械特性机械特性曲线 堵转转矩堵转转矩为 50特种电机及其控制调节特性 1.5.2 1.5.2 调节特性调节特性调节特性的始动电压和斜率分别为51特种电机及其控制1.5.3 1.5.3 工作特性工作特性工作特性 120W样机效率特性 52特种电机及其控制1.6 1.6 无刷直流电动机的转矩脉动无刷直流电动机的转矩脉动1.6.1 1.6.1 转矩脉动的定义及引起转矩脉动的原因转矩脉动的定义及引起转矩脉动的原因转矩脉动定义为 转矩脉动的主要原因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 53特种电机及其控制1.6.2 1.6.2 换相与转矩脉动换相与转矩脉动1.换相过程中的相电流和转矩 换相过程中电路方程换相过程中电路方程为为由于又得54特种电机及其控制整理，得换向过程中各相电流变化公式：换向过程中各相。