无刷直流电机.

特种电机及其控制1Permanent Magnet Brushless DC Motors (PM BLDCMs)特种电机及其控制20.1 永磁材料永磁材料 什么是永磁材料什么是永磁材料 ？0.1.1 永磁材料的特性永磁材料的特性0.1.2 常见的永磁材料常见的永磁材料特种电机及其控制3特种电机及其控制4特种电机及其控制5特种电机及其控制60.1.3 退磁曲线退磁曲线什么是退磁曲线什么是退磁曲线 ？什么是磁能积？什么是磁能积？0.1.4 回复线回复线特种电机及其控制70.2 永磁电机分类永磁电机分类 0.2.1 永磁同步电机永磁同步电机 正弦波驱动永磁同步电机，一般简称为正弦波驱动永磁同步电机，一般简称为永磁同永磁同步电机步电机。 方波驱动永磁同步电机，即方波驱动永磁同步电机，即无刷直流电机无刷直流电机。直流永磁电机直流永磁电机交流永磁电机交流永磁电机特种电机及其控制81.1 基本组成基本组成 位位 置置 检检 测测 器器 逆逆 变变 器器 电电 机机 本本 体体 控控 制制 信信 号号 控控 制制 器器 输输 出出 直直 流流 电电 源源 无刷直流电机构成框图无刷直流电机构成框图特种电机及其控制9 定定子子 永永磁磁转转子子 传传感感器器定定子子 传传感感器器转转子子 (a) 结构示意图结构示意图 (b) 定转子实际结构定转子实际结构 特种电机及其控制10 N S N S N S N S 表面式磁极表面式磁极 N N N N N N S S S S S S 嵌入式磁极嵌入式磁极 N S N S N S N S 环形磁极环形磁极 内内 特种电机及其控制11实际电机实际电机 外外转转子子 绕绕组组 永永磁磁体体 内内定定子子 结构示意图结构示意图 特种电机及其控制12特种电机及其控制13 US A B C D b) b) 四相半桥主电路四相半桥主电路 US A B C a) a) 三相半桥主电路三相半桥主电路1) 非桥式（半桥式）非桥式（半桥式）半控型半控型特种电机及其控制142) 桥式桥式全控型全控型c) c) 星形联结三相桥式主电路星形联结三相桥式主电路 US VD1 VD4 VT1 VT4 VD5 VD2 VT3 VT6 VD3 VD6 VT5 VT2 A B C 特种电机及其控制15d) 三角形联结三相桥式主电路三角形联结三相桥式主电路 2) 桥式桥式全控型全控型 US VD1 VD4 VT1 VT4 VD5 VD2 VT3 VT6 VD3 VD6 VT5 VT2 A B C 特种电机及其控制162) 桥式桥式全控型全控型e)正交两相全控型主电路正交两相全控型主电路 US A B 特种电机及其控制172) 桥式桥式全控型全控型f) 封闭形联结四相桥式主电路封闭形联结四相桥式主电路 US A B C D 特种电机及其控制18绕组利用率：绕组利用率：三相绕组优于四相、五相绕组三相绕组优于四相、五相绕组转矩脉动：转矩脉动：相数越多，转矩脉动越小相数越多，转矩脉动越小电路成本：电路成本：相数越多，电路成本越高相数越多，电路成本越高星形联接三相桥式主电路应用最多星形联接三相桥式主电路应用最多特种电机及其控制19位位置置检检测测器器有位有位置传置传感器感器检测检测无位无位置传置传感器感器检测检测磁敏式磁敏式光电式光电式电磁式电磁式接近开关式接近开关式正余弦变压器正余弦变压器编码器编码器反电动势检测反电动势检测续流二极管工作状态检测续流二极管工作状态检测定子三次谐波检测定子三次谐波检测瞬时电压方程法瞬时电压方程法特种电机及其控制20控控制制器器模拟模拟控制控制系统系统 数字数字控制控制系统系统 分立元件加少量集分立元件加少量集成电路构成的模拟成电路构成的模拟控制系统控制系统 基于专用集成电路基于专用集成电路的控制系统的控制系统 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 是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服 功能的指挥中心功能的指挥中心 特种电机及其控制21永磁无刷直流永磁无刷直流电机系统图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后产生脉宽调制PWMPWM信号，经过驱动电路放大送至逆信号，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。顺序工作，在电机气隙中产生跳跃式旋转磁场。 特种电机及其控制22 US A B C 特种电机及其控制23 VT2 VT6 VT4 VT1 VT3 VT5 A B C + US - - 位置检测器的三个输出信号通过逻辑电路控制这些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：开关管的导通和截止，其控制方式有两种：。特种电机及其控制24 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 特种电机及其控制25 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 特种电机及其控制26在三相半桥主电路中，位置信号有在三相半桥主电路中，位置信号有1/3周期为高电平、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周期为低电平，各传感器之间的相位差也是1/3周期，如周期，如图所示。图所示。 0 120 240 360 480 t 0 120 240 360 480 t 0 120 240 360 480 t H1 H2 H3 旋转磁场在旋转磁场在360360 电角度范围内有三种磁状态，每种电角度范围内有三种磁状态，每种磁状态持续磁状态持续120120 电角度。我们把这种工作方式叫做单电角度。我们把这种工作方式叫做单相导通星形相导通星形三相三状态三相三状态。特种电机及其控制27 VT2 VT6 VT4 VT1 VT3 VT5 A B C + US - - 位置检测器的三个输出信号通过逻辑电路控制这些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：开关管的导通和截止，其控制方式有两种：。特种电机及其控制28 电机的瞬时电磁转矩可由电枢绕组的电磁功率求得： a abbc ceEiEiEiT式中式中E Ea a、E Eb b、E Ec cA A、B B、C C三相绕组的反电动势；三相绕组的反电动势；i ia a、i ib b、i ic cA A、B B、C C三相绕组的电流；三相绕组的电流； 转子的机械角速度。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。速下，如果电流一定，反电动势越大，转矩越大。特种电机及其控制29三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 特种电机及其控制30 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 特种电机及其控制31 V T2 V T6 V T4 V T1 V T3 V T5 C + US - - A C B 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。与星形联结一样，角形联结的控制方式也有二二二导通和三三导通二导通和三三导通两种。两种。 特种电机及其控制32 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 特种电机及其控制33 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 特种电机及其控制34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反应。 电枢绕组的合成磁动势变化电枢绕组的合成磁动势变化如下图所示如下图所示 A Z B X C Y Fa Fr N S I Faq Fad II 特种电机及其控制35 A Z B X C Y Fa Fr N S I Faq Fad II 可见，在一个磁状态范围内，电枢磁动势在刚开始为最可见，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；在大去磁，然后去磁磁动势逐渐减小；在1/21/2磁状态时既不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动势F Fa a在转子磁极轴线上的投影，其最大值为在转子磁极轴线上的投影，其最大值为特种电机及其控制36admsin2 sin2sin222mmmaawFFFIWK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。 特种电机及其控制37特种电机及其控制3822222STaSTeeeeTUUrIUUrnTCCCC机械特性曲线 为为 rUUCICTTTstTst22特种电机及其控制39调节特性 调节特性的始动电压和斜率分别为调节特性的始动电压和斜率分别为TTeUCrTU220eCK1特种电机及其控制40工作特性 :实验值 ：设计值 120W样机效率特性 特种电机及其控制41转矩脉动定义为转矩脉动定义为 maxmin100%rNTTTT(1)(1)电磁因素引起的转矩脉动电磁因素引起的转矩脉动(2)(2)换相引起的转矩脉动换相引起的转矩脉动 ；(3)(3)定子齿槽引起的转矩脉动；定子齿槽引起的转矩脉动；(4)(4)电枢反应的影响电枢反应的影响 ；(5)(5)机械工艺引起的转矩脉动机械工艺引起的转矩脉动 特种电机及其控制42特种电机及其控制431 1、 开关主电路开关主电路特种电机及其控制44 驱动电路驱动电路将控制电路的输出信号进行功率放将控制电路的输出信号进行功率放大，并向各开关管送去能使其饱和导通和可大，并向各开关管送去能使其饱和导通和可靠关断的驱动信号。靠关断的驱动信号。驱动电路的工作方式直接影响着开关管的一驱动电路的工作方式直接影响着开关管的一些参数和特性，从而影响着整个电机控制系些参数和特性，从而影响着整个电机控制系统的正常工作。统的正常工作。开关管的种类不同，对驱动信号的要求也不开关管的种类不同，对驱动信号的要求也不同，因而对应的驱动电路也不同。同，因而对应的驱动电路也不同。特种电机及其控制45常见集成驱动电路常见集成驱动电路特种电机及其控制46控制电路是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速控制电路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，它主要完成以下功能：伺服功能的指挥中心，它主要完成以下功能：1)对转子位置传感器输出的信号、对转子位置传感器输出的信号、PWM调制信号、正调制信号、正反转和停车反转和停车信号进行逻辑综合信号进行逻辑综合, 给驱动电路提供各开关给驱动电路提供各开关管的斩波和选通信号管的斩波和选通信号, 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)产生产生PWM调制信号，使电机的电压随给定速度信号调制信号，使电机的电压随给定速度信号而自动变化，实现电机开环调速。而自动变化，实现电机开环调速。3)对电动机进行速度闭环调节和电流闭环调节，使系对电动机进行速度闭环调节和电流闭环调节，使系统具有较好的动态和静态性能。统具有较好的动态和静态性能。4)实现短路、过流和欠压等故障保护功能等。实现短路、过流和欠压等故障保护功能等。特种电机及其控制47控制电路的形式控制电路的形式:1、分立元件全模拟电路、分立元件全模拟电路经济型经济型2、专用集成控制电路、专用集成控制电路 规模化、专用规模化、专用3、数模混合控制电路、数模混合控制电路 半数字化半数字化 (PID)4、全数字控制电路、全数字控制电路 高性能高性能(MCU DSP)特种电机及其控制48 速速度度给给定定 转转向向设设定定 ACH0 WG1 WG1 WG2 WG2 WG3 WG3 栅栅极极 驱驱动动 电电路路 IR2130 IGBT 位位置置传传感感器器 P0.1 逆逆 变变 器器 BLDCM EPA P0.2 P0.3 P0.4 80C196MC 过过电电压压、过过电电流流保保护护电电路路 中中断断 特种电机及其控制49 速速度度给给定定 键键 盘盘 ADCINx PWM1 | PWM6 栅栅极极 驱驱动动 电电路路 IR2130 IGBT I/O 逆逆 变变 器器 BLDCM ADCINx 或或 CAPx DSP TMS320LF2407 保保护护电电路路 PDPINT 位位置置检检测测 电电流流检检测测 ADCINx 特种电机及其控制50v在电动车中的应用在电动车中的应用特种电机及其控制51特种电机及其控制52特种电机及其控制53v在计算机中的应用在计算机中的应用 转速为转速为360rpm，稳速精度为，稳速精度为0.1%，运，运行寿命行寿命1000h以上。以上。 特种电机及其控制54v在计算机中的应用在计算机中的应用 转速为转速为4500/5400/7500/10000rpm，稳速精度，稳速精度为为0.1%，平均无故障时间，平均无故障时间4万万h以上。磁头与盘以上。磁头与盘面距离面距离0.3-0.1m。 特种电机及其控制55v在计算机中的应用在计算机中的应用 特种电机及其控制56v在家用电器中的应用在家用电器中的应用 家用电器总的发展趋势是低噪声、节能型、智能化，对配套的家用电器总的发展趋势是低噪声、节能型、智能化，对配套的电动机提出了更高的要求。面对这些要求，传统的单相异步电机往电动机提出了更高的要求。面对这些要求，传统的单相异步电机往往不能很好地满足，往不能很好地满足， 为无刷直流电机的应用提供了机会。以空调用为无刷直流电机的应用提供了机会。以空调用风扇电动机为例：风扇电动机为例：特种电机及其控制57v在工业中的应用在工业中的应用 与其他类型电动机相比，无刷直流电动机具与其他类型电动机相比，无刷直流电动机具有以下优势：有以下优势： （1）动态响应快；）动态响应快； （2）控制性能好；）控制性能好； （3）体积小、重量轻；）体积小、重量轻； （4）效率高。）效率高。特种电机及其控制58v在医疗器械中的应用在医疗器械中的应用