《无刷直流电动机》PPT课件.ppt

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 Brushless DC Motors (BLDCMs),4,7.1 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,5,7.1 无刷直流电动机系统,7.1.1 概述及基本组成,无刷直流电机构成框图,6,无刷直流电动机结构,(a) 结构示意图,(b) 定转子实际结构,1. 电动机本体,7,表面式磁极,嵌入式磁极,环形磁极,内转子结构形式,8,实际电机,结构示意图,外转子无刷直流电动机,9,2. 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）,10,2. 逆变器,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,11,2. 逆变器,2) 桥式全控型,12,2. 逆变器,d) 三角形联结三相桥式主电路,2) 桥式全控型,13,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,15,3. 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,16,4. 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,22,7.2 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,23,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。,24,三相三状态BLDCM 原理,传感器：H1=1 H2=0 H3=1 导通相：B,25,传感器：H1=1 H2=0 H3=0 导通相：B,26,传感器：H1=1 H2=1 H3=0 导通相：C,27,传感器：H1=0 H2=1 H3=0 导通相：C,28,传感器：H1=0 H2=1 H3=1 导通相：A,29,传感器：H1=0 H2=0 H3=1 导通相：A,30,传感器：H1=1 H2=0 H3=1 导通相：B,31,7.2.2 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：二二导通方式和三三导通方式。,32,1. 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、EcA、B、C三相绕组的反电动势； ia、ib、icA、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,37,2. 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,38,7.3 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,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,39,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,40,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。,41,7-4 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,42,7.4.1 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,44,当三相绕组为Y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：,45,无刷直流电动机的等效电路如图所示,46,7.4.2 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),(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,48,7.4.3 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,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,49,7.4.4 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：,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,式中 Ce 电机的电动势常数，,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,51,电机的转速为,空载转速为,电动势系数为,转矩系数为,52,7-5 无刷直流电动机的运行特性,7.5.1 机械特性,机械特性曲线,堵转转矩为,53,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,54,7-6 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。,56,Hall IC,霍尔元件功能方框图,57,Hall IC 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。,58,Hall IC 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，转子由扇形磁芯和非导磁衬套组成 定、转子磁芯均由高频导磁材料(如软磁铁氧体)制成。 电机运行时，输入绕组中通以高频激磁电流，当转子扇形磁芯处在输出绕组下面时，输入和输出绕组通过定、转子磁芯耦台，输出绕组中则感应出高频信号，经滤波整形和逻辑处理后，即可控制逆变器开关管。,60,优点1：电磁式传感器具有较高的强度，可经受较大的振动冲击，故多用于航空航天领域。 优点2：电磁式位置传感器输出信号较大，一般不需要经过放大便可直接驱动开关管，但因输出电压是交流，必须先整流。 缺点：传感器过于笨重复杂，因而大大限制了其在普通条件下的应用。,61,(a) 光电传感器电路原理图,(b) 4极电机所用的遮光盘,对于两相导通星形三相六状态无刷直流电动机，三个光电开关在空间依次相差120电角度，光电开关与电枢绕组的相对位置以及遮光盘与转子磁极的相对位置类似于霍尔位置传感器。,光电式位置传感器是由装在电机转子上的遮光盘和固定不动的光电开关组成的，其原理如图 (a)所示。遮光盘上开有180°电角度的扇形开口，扇形开口的数目等于无刷直流电动机转子磁极的极对数，4极电机所用遮光盘如图 (b)所示；光电开关通常采用将发光二极管和光敏三极管封装在一起的光断续器。,控制电机总结,步进电机,自整角机,测速发电机 直流 交流,伺服电动机 直流 交流,无刷直流电动机,大作业要求,题目：控制电机分析 内容：1、概述 2、结构、工作原理 3、运行方式（控制方式） 4、应用举例 页数要求：至少8页（A4） 格式要求：1、封皮 2、目录 3、正文 4、参考文献,目录 标题“目录”（三号、黑体、居中） 章标题（四号、黑体、居左） 节标题（小四、宋体） 页码（小四、宋体）,正文 章标题（三号、黑体、居中） 节标题（四号、黑体、居左） 正文（小四号、宋体）,电枢绕组在磁场中转动产生感应电势，经换向器变换后，输出与转速成正比的直流电压。,工作原理,1 直流测速发电机,直流测速发电机原理电路,电压平衡方程式,1 直流测速发电机,直流测速发电机输出特性,不同负载时的理想输出特性,1 直流测速发电机,工作原理,励磁绕组 输出绕组,空心杯形转子感应测速发电机工作原理,2 交流测速发电机,工作原理,实质：他励电动机,电枢绕组和励磁绕组，电枢电压Ua与励磁电压Uf彼此无关。,3 直流伺服电动机,控制方式,电枢控制 磁极控制,3 直流伺服电动机,定子：励磁绕组和控制绕组。,结构和工作原理,4 交流伺服电动机,幅值控制 相位控制,4 交流伺服电动机,控制方式,5 步进电动机,步进电动机 输入：脉冲电信号 输出：阶跃的角位移或线位移,分类 工作方式：功率步进电动机，伺服步进电动机 励磁方式：反应式、永磁式、混合式,工作原理,定子有八个极，构成四相；转子六个齿。,（a）A相通电（b）C相通电（c）B相通电（d）D相通电,经过A C B D一个通电循环转子转过60°,5 步进电动机,运行方式,四相八拍运行,四相双四拍运行,四相单四拍运行,通电方式为AACCCBBBDDDA。,通电方式为ACCBBDDA,通电方式为ACBD,5 步进电动机,6 力矩式自整角机,工作原理,图 力矩式自整角机的原理图,