第10章无刷直流电动机1.ppt

XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六1第第10章章 无刷直流电动机无刷直流电动机Brushless DC Motor 10.1 概述概述10.2 无刷直流电动机系统组成无刷直流电动机系统组成10.3 三相无刷直流电动机运行分析三相无刷直流电动机运行分析10.4 无刷直流电动机的模型无刷直流电动机的模型10.5 无刷直流电动机的转矩脉动无刷直流电动机的转矩脉动10.6 无位置传感器的转子位置检测无位置传感器的转子位置检测10.7 无刷直流电动机的电枢反应无刷直流电动机的电枢反应10.8 无刷直流电动机改变转向的方法无刷直流电动机改变转向的方法XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六210.1 概述概述 传统有刷直流电机的优点：传统有刷直流电机的优点：机械特性线性，调节特性线性，调速和起动性机械特性线性，调节特性线性，调速和起动性能好，堵转转矩大，广泛用于驱动和伺服系统能好，堵转转矩大，广泛用于驱动和伺服系统 缺点：缺点：电刷和换向器产生火花，引起干扰；定期维护电刷和换向器产生火花，引起干扰；定期维护 无刷直流电机：无刷直流电机：用电子开关电路和位置传感器代替传统电机中用电子开关电路和位置传感器代替传统电机中的电刷和换向器的电刷和换向器 既有普通有刷电机的调速特性，又克服了电刷既有普通有刷电机的调速特性，又克服了电刷和换向器带来的缺点和换向器带来的缺点 通过电子线路进行控制和运行通过电子线路进行控制和运行-电子运行电机电子运行电机 电子换向器代替机械换向器电子换向器代替机械换向器-电子换向式电机电子换向式电机 ECM（Electronically Commutated Motor）XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六3XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六4XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六5XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六6XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六7XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六8XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六9XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六10XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六11XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六1210.2 无刷直流电动机的基本组成无刷直流电动机的基本组成 由电动机本体、转子位置传感器、功率电子开关线路由电动机本体、转子位置传感器、功率电子开关线路和控制器等和控制器等4 4部分组成部分组成 直流电源通过电子开关线路向电动机定子绕组供电直流电源通过电子开关线路向电动机定子绕组供电 位置传感器检测电机转子位置并送入控制器位置传感器检测电机转子位置并送入控制器 控制器经过逻辑处理产生相应的换相信号控制器经过逻辑处理产生相应的换相信号 以一定的规律控制电子开关线路中的功率开关器件以一定的规律控制电子开关线路中的功率开关器件 将电源顺序分配给电动机定子的各相绕组将电源顺序分配给电动机定子的各相绕组XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六13XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六141 1电动机定子；电动机定子；2 2电动机转子；电动机转子；3 3传感器定子；传感器定子；4 4传感器转子；传感器转子；5 5电子开关线路电子开关线路+控制器控制器XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六15无无刷刷直直流流电电动动机机电动机本体电动机本体控制器及电子开关电路控制器及电子开关电路转子位置传感器转子位置传感器电动机转子电动机转子电动机定子电动机定子位置信号处理位置信号处理功率逻辑开关功率逻辑开关XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六1610.2.1电动机本体电动机本体 电动机本体定子和转子组成电动机本体定子和转子组成满足电磁方面的要求满足电磁方面的要求保证在工作气隙中产生足够的磁通保证在工作气隙中产生足够的磁通电枢绕组允许流过一定的电流电枢绕组允许流过一定的电流以便产生一定的电磁转矩以便产生一定的电磁转矩应满足机械方面的要求应满足机械方面的要求内转子和外转子形式内转子和外转子形式XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六17XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六18定子无刷直流电机的电枢定子无刷直流电机的电枢 定子铁心导磁定子铁心导磁 电枢绕组导电电枢绕组导电 定子铁心中放置对称的多相电枢绕组定子铁心中放置对称的多相电枢绕组常用两种定子结构常用两种定子结构定子磁极凸极（大齿）结构定子磁极凸极（大齿）结构大齿表面开有多个小齿大齿表面开有多个小齿大齿上绕有非跨接式的集中绕组分数槽绕组大齿上绕有非跨接式的集中绕组分数槽绕组与普通交流电机铁心类似与普通交流电机铁心类似槽中嵌放跨接式的集中或分布绕组槽中嵌放跨接式的集中或分布绕组线圈整距或短距线圈整距或短距多相电枢绕组接成星形或封闭形（角形）多相电枢绕组接成星形或封闭形（角形）绕组接电子开关线路中的功率开关管绕组接电子开关线路中的功率开关管XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六19XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六20XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六21XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六22XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六23XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六24转子为永磁结构转子为永磁结构由永磁体、导磁体和支撑部件组成由永磁体、导磁体和支撑部件组成永磁体形成一定极对数的转子磁极永磁体形成一定极对数的转子磁极（2p2，4，6，等），等）在电动机气隙中建立足够的磁场在电动机气隙中建立足够的磁场永磁体有径向励磁或切向励磁形式永磁体有径向励磁或切向励磁形式三种结构三种结构 表面粘贴式永磁体径向磁化的瓦片形表面粘贴式永磁体径向磁化的瓦片形内嵌式切向磁化的永磁体插入转子铁心内嵌式切向磁化的永磁体插入转子铁心整体粘结式整体粘结式外套整体粘结径向磁化永磁体环外套整体粘结径向磁化永磁体环XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六25XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六26XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六27XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六28XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六29XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六30XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六31XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六32无刷直流电机磁场分布无刷直流电机磁场分布矩形波矩形波感应反电动势感应反电动势方波或梯形波方波或梯形波XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六33转子磁场相对于定子绕组位置的检测是无刷直流电动转子磁场相对于定子绕组位置的检测是无刷直流电动机运行的关键机运行的关键位置检测的直接法位置检测的直接法采用位置传感器采用位置传感器 将转子磁极的位置信号转换成电信号将转子磁极的位置信号转换成电信号l电磁式、光电式、霍尔元件式电磁式、光电式、霍尔元件式l正余弦旋转变压器正余弦旋转变压器l编码器编码器位置检测的间接法位置检测的间接法无位置传感器位置检测无位置传感器位置检测 利用检测电量信号来间接判断转子磁极位置利用检测电量信号来间接判断转子磁极位置l电动机定子绕组的反电动势检测法电动机定子绕组的反电动势检测法端电压检测法端电压检测法 10.2.2 位置传感器位置传感器XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六34 1信号线圈；信号线圈；2导磁片；导磁片；3磁心；磁心；4铝合金；铝合金；5副边线圈；副边线圈；6环氧树脂；环氧树脂；7激磁线圈激磁线圈（1）电磁式位置传感器利用电磁感应原理工作）电磁式位置传感器利用电磁感应原理工作定子：铁心和线圈定子：铁心和线圈 定子铁心的中间为圆柱体，放励磁绕组定子铁心的中间为圆柱体，放励磁绕组Wj，施加高，施加高频（几频（几kHz几十几十kHz）电源励磁）电源励磁 定子铁心沿定子圆周有轴向凸出的极，极上套信号定子铁心沿定子圆周有轴向凸出的极，极上套信号线圈（线圈（Wa、Wb和和Wc）以感应信号电压）以感应信号电压转子：导磁扇形片放置在不导磁的铝合金圆形基盘上制转子：导磁扇形片放置在不导磁的铝合金圆形基盘上制成，成，固定在电动机转轴上，扇形片数等于电机极对数固定在电动机转轴上，扇形片数等于电机极对数 XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六35励磁电源的频率高达几千赫兹以上，故定子铁心及转励磁电源的频率高达几千赫兹以上，故定子铁心及转子导磁扇形片均由高频导磁材料制成子导磁扇形片均由高频导磁材料制成 实际上是有着共同励磁线圈的几个开口变压器实际上是有着共同励磁线圈的几个开口变压器 扇形导磁片随着电动机转子同步旋转，其与传感器定扇形导磁片随着电动机转子同步旋转，其与传感器定子圆周凸极的相对位置发生变化，使开口变压器磁路的子圆周凸极的相对位置发生变化，使开口变压器磁路的磁阻变化，信号线圈匝链的磁通大小变化，感应出不同磁阻变化，信号线圈匝链的磁通大小变化，感应出不同幅值的电动势，依此判断转子位置。幅值的电动势，依此判断转子位置。XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六36（2）光电式传感器利用光）光电式传感器利用光电效应而工作电效应而工作结构：结构：由固定在定子上的数个光电耦合由固定在定子上的数个光电耦合开关和固定在转子轴上的遮光盘所开关和固定在转子轴上的遮光盘所组成组成遮光盘上开有透光槽（孔）遮光盘上开有透光槽（孔），其数目等于电动机转子磁极的极，其数目等于电动机转子磁极的极对数，且有一定的跨度对数，且有一定的跨度光电耦合开关由轴向相对的光电耦合开关由轴向相对的红外发光二极管和光电管（光电二红外发光二极管和光电管（光电二极管或三极管）所组成，沿圆周均极管或三极管）所组成，沿圆周均匀分布匀分布XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六37工作原理：工作原理：红外发光二极管通电发出红外光红外发光二极管通电发出红外光 当遮光盘随着转轴转动时，光线依当遮光盘随着转轴转动时，光线依次通过光槽，使对着的光电管导通次通过光槽，使对着的光电管导通 产生反应转子相对定子位置的电信产生反应转子相对定子位置的电信号号特点：特点：光电式位置传感器性能较稳定光电式位置传感器性能较稳定 输出直流电信号，无需再进行整流输出直流电信号，无需再进行整流 产生的电信号一般比较弱，需要放产生的电信号一般比较弱，需要放大大XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六38（3）霍尔元件式利用）霍尔元件式利用“霍尔效应霍尔效应”产生输出电压产生输出电压霍尔元件是其电参数按一定规律随周围磁场变化霍尔元件是其电参数按一定规律随周围磁场变化的半导体磁敏元件的半导体磁敏元件 用霍尔半导体材料制成长为用霍尔半导体材料制成长为l、宽为、宽为m、厚为、厚为d的六的六面体面体4端子元件端子元件根据霍尔效应原理，如果在根据霍尔效应原理，如果在垂直于垂直于lm面沿厚度方向穿过面沿厚度方向穿过磁场磁场B，在垂直于，在垂直于md面沿面沿l方向施加控制电流方向施加控制电流I，则在，则在宽度宽度m方向上会产生霍尔电方向上会产生霍尔电动势动势EH，可以表示为：，可以表示为：XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六39XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六40霍尔元件式位置传感器霍尔元件式位置传感器 由定子和转子两部分组成由定子和转子两部分组成电动机转子磁极的永磁体电动机转子磁极的永磁体 兼作位置传感器转子产生励磁磁场兼作位置传感器转子产生励磁磁场 霍尔元件间隔一定角度安置于电机定子作传感器定子霍尔元件间隔一定角度安置于电机定子作传感器定子并通以控制电流并通以控制电流XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六41XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六42功率器件采用具有自关断能力的全控器件功率器件采用具有自关断能力的全控器件GTR、GTO、功率、功率MOSFET和和IGBT等等功率功率MOSFET和和IGBT目前已占主导地位目前已占主导地位逆变主电路一般有桥式或非桥式（半桥式）两种逆变主电路一般有桥式或非桥式（半桥式）两种与电机电枢绕组的连接有不同的组合与电机电枢绕组的连接有不同的组合10.2.3 功率电子驱动电路功率电子驱动电路XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六43XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六44XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六45电枢绕组的相数和功率主电路连接方式不同，电机转矩电枢绕组的相数和功率主电路连接方式不同，电机转矩脉动及绕组利用率不同。脉动及绕组利用率不同。l相数越多，转矩脉动越小相数越多，转矩脉动越小l相同相数下，桥式电路比非桥式电路转矩脉动小，相同相数下，桥式电路比非桥式电路转矩脉动小，绕组利用率高绕组利用率高l随着相数的增多，驱动电路中使用的开关器件也越随着相数的增多，驱动电路中使用的开关器件也越多成本也就越高多，成本也就越高三相星形桥式驱动电路采用两两导通方式工作三相星形桥式驱动电路采用两两导通方式工作，其，其绕组利用率较高、力矩波动小，因而得到广泛应用。绕组利用率较高、力矩波动小，因而得到广泛应用。注意：注意：无刷直流电动机控制系统中驱动电路的频率由转子无刷直流电动机控制系统中驱动电路的频率由转子的转速决定的转速决定“自控式逆变器自控式逆变器”电机中相绕组的频率和电机转速始终保持同步，不电机中相绕组的频率和电机转速始终保持同步，不会产生振荡和失步。会产生振荡和失步。XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六4610.2.4 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指挥中心功能：功能：(1)对转子位置信号、正反转和停车信号进行逻辑综合，对转子位置信号、正反转和停车信号进行逻辑综合，为功率驱动电路各开关管提供选通信号（换相信号），为功率驱动电路各开关管提供选通信号（换相信号），实现电机的正、反转及停车控制；实现电机的正、反转及停车控制；(2)在固定的供电电压下，根据速度给定和负载大小，在固定的供电电压下，根据速度给定和负载大小，产生产生PWM调制信号，实现电机开环或闭环控制；调制信号，实现电机开环或闭环控制；(3)实现短路、过流、过电压和欠电压等故障检测和保实现短路、过流、过电压和欠电压等故障检测和保护护XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六47控制器的主要形式有：控制器的主要形式有：分立元件加少量集成电路构成的模拟控制分立元件加少量集成电路构成的模拟控制系统系统 基于专用集成电路的控制系统基于专用集成电路的控制系统 数模混合控制系统数模混合控制系统 全数字控制系统全数字控制系统 单片机和数字信号处理器（单片机和数字信号处理器（DSP）以及新）以及新型电机控制专用芯片，以微控制单元型电机控制专用芯片，以微控制单元（MCU）为核心的数字式控制器得到了普及。）为核心的数字式控制器得到了普及。XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六48MC33033XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六49XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六50XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六5110.3 无刷直流电动机运行分析无刷直流电动机运行分析10.3.1 工作原理工作原理 三相无刷直流电动机三相无刷直流电动机 电机本体是一两极的永磁电动机电机本体是一两极的永磁电动机 定子三相对称绕组按定子三相对称绕组按Y连接，无中线连接，无中线 功率驱动采用三相全桥式电路功率驱动采用三相全桥式电路 两两导通工作方式两两导通工作方式XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六52XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六53XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六54 (a)A+B-(b)A+C-(c)B+C-(d)B+A-(e)C+A-(f)C+B-XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六55A、B、C三相绕组每隔三相绕组每隔60换相一次换相一次每一时刻总有两相绕组同时通电每一时刻总有两相绕组同时通电功率开关管的导通规律为功率开关管的导通规律为VT1、VT2VT3、VT2VT3、VT4VT5、VT6VT5、VT4 共有六个导通状态共有六个导通状态每一状态都有两个开关管同时导通每一状态都有两个开关管同时导通每个开关管导通每个开关管导通120此通电方式称为两两导通三相六状态此通电方式称为两两导通三相六状态VT1、VT6XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六56XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六57XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六58gatedgated+_Rectangular Shaping of Currents by Current RegulationCharging ActionUpper Current LimitXJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六59Upper Current LimitLower Current LimitGatingremovedRectangular Shaping of Currents by Current RegulationDischarging Action by Reverse Voltage Chopping+_XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六60FreewheelingintervalUpper Current LimitTime Delaygated+_Rectangular Shaping of Currents by Current RegulationDischarging Action by Freewheeling ChoppingXJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六61gatedgated+_currentdecreasingcurrentincreasingPhase CommutationAs the rotor travels along,the Hall probe position sensor indicates which transistors need to be gated.Transitions from one upper transistor to another upper transistor alternate with transitions among the lower transistors.Illustrated here is an upper transistor transition,from B-upper to C-upper.At the moment when the C-upper interval is indicated by the Hall probe position sensor,gating is removed from the B-upper transistor and is applied to the C-upper transistor.The current in motor phase B diverts into the lower flyback diode.The current in phase C increases as the current in phase B decreases and soon extinguishes.Commutation on the lower transistors is similar.Depending on conditions,current regulation may be needed before commutation is completed.XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六62转子旋转时，电枢导体切割转子永磁体产生的磁场转子旋转时，电枢导体切割转子永磁体产生的磁场或者说电枢绕组匝链的转子永磁体磁通发生变化或者说电枢绕组匝链的转子永磁体磁通发生变化在绕组中产生的感应电动势在绕组中产生的感应电动势-电枢反电动势电枢反电动势反电动势的大小和波形与气隙永磁场的幅值大小、分布反电动势的大小和波形与气隙永磁场的幅值大小、分布形状和绕组结构形式有关形状和绕组结构形式有关无刷直流电机中，由转子永磁极产生的气隙磁通密度沿无刷直流电机中，由转子永磁极产生的气隙磁通密度沿圆周方向的理想分布为矩形圆周方向的理想分布为矩形为减少漏磁，实际电机的永磁极极弧长度均小于极距为减少漏磁，实际电机的永磁极极弧长度均小于极距永磁极的边缘存在漏磁永磁极的边缘存在漏磁假如不考虑定子齿槽影响，考虑到以极中心线为对称，假如不考虑定子齿槽影响，考虑到以极中心线为对称，在极弧范围内基本维持不变，在磁极边缘处逐渐衰减在极弧范围内基本维持不变，在磁极边缘处逐渐衰减10.3.2 电枢绕组感应电动势及电流电枢绕组感应电动势及电流XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六63 A相正电动势的方向相正电动势的方向绕组中电动势和电流正方向绕组中电动势和电流正方向无刷直流电动机反电动势无刷直流电动机反电动势（感应电动势）为梯形波，（感应电动势）为梯形波，为产生恒定转矩，电流调为产生恒定转矩，电流调制为方波！制为方波！XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六64XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六65反电动势的幅值反电动势的幅值Ea 根据切割定理求得：根据切割定理求得：Da为电枢铁心内径为电枢铁心内径l为铁心长度为铁心长度磁通密度幅值磁通密度幅值Bgm保持不变保持不变反电动势幅值反电动势幅值Ea正比于转速正比于转速n：XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六66取取A相正向、相正向、B相反向通电区间相反向通电区间 绕组线电压绕组线电压等于直流等于直流电电源源电压电压 堵转电流为：堵转电流为：电流：电流：XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六67电磁转矩电磁转矩:10.3.3 电磁转矩电磁转矩 任何时刻，定子三相绕组中只有两相导通任何时刻，定子三相绕组中只有两相导通 电磁功率电磁功率:取取A相正向通电，相正向通电，B相反向通电的时间区间相反向通电的时间区间 导体均处于磁通密度幅值为导体均处于磁通密度幅值为Bgm的磁场下的磁场下均流过大小为均流过大小为Ia的电流的电流 电磁转矩电磁转矩:XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六68励磁磁场主要由永磁体励磁，认为恒定励磁磁场主要由永磁体励磁，认为恒定当电流调制为方波时当电流调制为方波时励磁恒定时电磁转矩正比于电枢电流励磁恒定时电磁转矩正比于电枢电流 通过控制定子电流的大小就可以控制转矩通过控制定子电流的大小就可以控制转矩无刷直流电动机的转矩具有良好的可控性无刷直流电动机的转矩具有良好的可控性理想化的输出转矩平滑稳定理想化的输出转矩平滑稳定电磁转矩为电磁转矩为电磁转矩是反电动势、电流和转速的函数电磁转矩是反电动势、电流和转速的函数电动势幅值正比于励磁磁场磁通密度和转子角速度电动势幅值正比于励磁磁场磁通密度和转子角速度XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六69One Phase OnlyAll Three PhasesElectromagnetic Torque Productionwith Trapezoidal Current ExcitationXJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六70The Difficulty in Obtaining High Speed OperationThese graphs illustrate an lightly loaded ECM accelerating from rest.As the speed increases,the magnitude of the back-emf voltages approaches the value of the DC bus voltage,and this reduces the charging voltage,which is the difference of the two.When the charging voltage is small,it becomes difficult to get current into the motor,and consequently,the magnitude of torque diminishes.This difficulty can be overcome by employing a timing advance technique not unlike what is employed in automobile engines.XJTUEEXJTUEE2024/4/13 周六71