BLDCMPPT教学课件

1、1三相三状态BLDCM 原理传感器：H1=1 H2=0 H3=1导通相：B第1页/共135页2传感器：H1=1 H2=0 H3=0导通相：B第2页/共135页3传感器：H1=1 H2=1 H3=0导通相：C第3页/共135页4传感器：H1=0 H2=1 H3=0导通相：C第4页/共135页5传感器：H1=0 H2=1 H3=1导通相：A第5页/共135页6传感器：H1=0 H2=0 H3=1导通相：A第6页/共135页7传感器：H1=1 H2=0 H3=1导通相：B第7页/共135页81.1.1 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

2、 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第8页/共135页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 (b) 定转子实际结构 第9页/共135页10 N S N S N S N S 表面式磁极 N N N N N N S S S S S S 嵌入式磁极 N S N S N S N S 环形磁极 内 第10页/共135页11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 第11页/共135页12 US A B C D b) 四相半桥主电路 US A B C a) 三相半桥主电路

3、1) 非桥式（半桥式）半控型第12页/共135页132) 桥式全控型c) 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 第13页/共135页14d) 三角形联结三相桥式主电路 2) 桥式全控型 US VD1 VD4 VT1 VT4 VD5 VD2 VT3 VT6 VD3 VD6 VT5 VT2 A B C 第14页/共135页152) 桥式全控型e)正交两相全控型主电路 US A B 第15页/共135页162) 桥式全控型f) 封闭形联结四相桥式主电路 US A B C D 第16页/共135页17绕

4、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第17页/共135页18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第18页/共135页19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 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 第19页/共135页20永磁无刷直流永磁无刷直流电机系统图电机系统图控制

5、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。 第20页/共135页21工作原理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转子磁场顺时针连续旋转、定子磁场隔60O跳跃旋转第21页/共135页22两相导通星

6、形三相六状态时绕组和开关管导通顺序表第22页/共135页23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。 第23页/共135页24 ia B B ea ea ia Ta Ta Te Te t t t t t t t t t t O O O O O O O O O O (a) 无刷直流电动机 (b) 永磁同步

7、电动机 第24页/共135页25 VT3 US A B C VT1 VT2 H1 H2 H3 第25页/共135页26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。 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。第26页/共135页27 VT2 VT6 VT4 VT1 VT3 VT5 A B C + US - - 位置检

8、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：。第27页/共135页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。第28页/共135页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 第29页/共135页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 第30页/共135页31 V T2 V T6 V T4 V

9、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。 第31页/共135页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 第32页/共135页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 第33页/共135页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枢反应。 电枢绕组的合成磁动势变化如下图所示 A Z B X C Y Fa Fr N S I Faq Fad II 第34页/共135页35 A Z B X C Y Fa

10、 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，其最大值为第35页/共135页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。 第36页/共135页37无刷直流电机的磁场、电势、电流波形第37页/共135页38 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

11、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。 第38页/共135页39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cbacbacbacbaeeeiiidtdLMMMLMMMLiiirrruuu000000第39页/共135页40：ia+ib+ic=0Mia+Mib=-MicMib+Mic=-MiaMia+Mic=-MibcbacbacbacbaeeeiiidtdMLMLMLiiirrruuu000000000000第40页/共135页41 r LM ec US VD1 VD4 VT1 VT

12、4 VD5 VD2 VT3 VT6 VD3 VD6 VT5 VT2 r LM ea + - - + - - + - - ia ib ic r LM eb A B C 第41页/共135页42 无刷直流电动机气隙磁密及反电动势波形如下图所示 第42页/共135页43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) vLBea60260npnDv(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 nCnpWeWEeim152aiLB第43页/共135页44 依据基尔霍夫定律，可得换相过程中的电路方程为()0()0acMaaMccbcM

13、bbMccSabcdidiLrieLriedtdtdidiLrieLrieUdtdtiii续流结束后，换相完成，电路方程变为： 0)(cbScccMbbbMiiUeridtdiLeridtdiL第44页/共135页45 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： 22STaUUErI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。 第45页/共135页46对于无刷直流电动机，任一时刻都有两相绕组导通，故电机的反电动势为 2215meipWEEnCn式中Ce 电机的电动势常数， iepWC152 r

14、EUUITSa22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 42m aaeaTaipWE IEITICI第46页/共135页47eaTSCrIUUn22pWUUpWUUCUUnTSiiTSeTS25 . 7152220ieepWCnEK152aiTaeTIpWCITK4第47页/共135页4822222STaSTeeeeTUUrIUUrnTCCCC机械特性曲线 为 rUUCICTTTstTst22第48页/共135页49调节特性 调节特性的始动电压和斜率分别为TTeUCrTU220eCK1第49页/共135页50工作特性 :实验值 ：设计值 120W样机效率特性

15、 第50页/共135页51转矩脉动定义为 maxmin100%rNTTTT(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 第51页/共135页521.换相过程中的相电流和转矩 0)(0)(cbaSccMbbMccMaaMiiiUedtdiLedtdiLedtdiLedtdiLmcbaEeeedtdidtdidtdibac0cbaiii由于又得第52页/共135页53SmMaMmMaMUEdtdiLdtdiLEdtdiLdtdiL22022bb整理，得bc232 ()343aSmMSmMSmMd iUEd

16、 tLd iUEd tLd iUEd tL 第53页/共135页54解上述微分方程组，并考虑各相电流的初值和终值为换相前后各相电流的稳态值 ，得c232343SmaMSmbMSmMUEiItL(UE)itLUEiIL 第54页/共135页5532MfSmLItUE32()MfSmL ItUE第55页/共135页56第56页/共135页57此时令ia(tf)0，得ia降为零的时间tf32MfSmL ItUE 第57页/共135页58第58页/共135页592mecETi 24()3mSmeMEUETItL1()em am bm cTE iE iE i第59页/共135页60在非换相时，即每个导通

17、状态内，电机的电磁转矩为第60页/共135页61第61页/共135页62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 光耦合器件第62页/共135页63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，一类为线性霍尔器件。第63页/共135页64Hall IC霍尔元件磁电转换Hall IC霍尔元件功能方框图第64页/共135页65第一

18、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。第65页/共135页661、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、极性相对应第66页/共135页67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

19、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。第67页/共135页68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。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。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。第68页/共135页69(a) 光电传感器电路原理图 (b) 4极电机所用的遮光盘 对于无刷直流电动机，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

20、的相对位置类似于霍尔位置传感器。 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。 第69页/共135页70反电动势检测法续流二极管工作状态检测法定子三次谐波检测法瞬时电压方程法第70页/共135页711. 用端电压法检测反电动势过零点 ib r LM ec US VD1 VD4 VT1 VT4 VD5 VD2 VT3 VT6 VD3 VD6 VT5 VT2 r LM ea + -

21、- + - - + - - ia N r LM eb A B C A、B相导通时的电流回路图 第71页/共135页72000aaaMaNbbbMbNcccMcNdiui rLeudtdiui rLeudtdiui rLeudt)(31)(31)(3100000000bb0000cbacccbacbaaauuuueuuuueuuuue第72页/共135页73)(21)(21)(21000000000bacccabbcbaauuueuuueuuueSccSbbSaaUueUueUue212121000第73页/共135页74 第74页/共135页752. 用相电压法检测反电动势过零点 反电动势的检

22、测方程组为 bbccaaeueueu第75页/共135页76第76页/共135页77 逆逆变变器器 - - US + 位位置置检检测测器器 转转速速计计算算 逻逻辑辑控控制制 ASR 正正反反转转控控制制 ACR PWM 逻逻辑辑“与与” 放放大大 驱驱动动 n* n - - + + i* - - i BLDCM 第77页/共135页78PID(比例、积分、微分)控制算法常用于需要对变化的条件进行校正的闭环控制系统。 001()tPDIdeuK eedt TuTdt22DkPkkkIPkIkDkTTuKeeeTTKeK eKe第78页/共135页79(1) on_pwm型 -60 0 60 1

23、20 180 240 300 360 VT1 VT4 VT3 VT6 VT5 VT2 t t t t t t 第79页/共135页80 -60 0 60 120 180 240 300 360 VT1 VT4 VT3 VT6 VT5 VT2 t t t t t t 第80页/共135页81在各自的120导通区间内，上桥臂功率开关通过PWM调制、下桥臂开关管恒通。 -60 0 60 120 180 240 300 360 VT1 VT4 VT3 VT6 VT5 VT2 t t t t t t 第81页/共135页82 -60 0 60 120 180 240 300 360 VT1 VT4 VT

24、3 VT6 VT5 VT2 t t t t t t 第82页/共135页83由于功率开关管只能单向导通，所以BLDCM反转不能靠通以反向电压实现。只有靠控制绕组的导通顺序来实现。Hall ICPMPM第83页/共135页84正转时相互位置关系uha=uhb=1uhc=0AB导通uha=uhc=0uhb=1AC导通第84页/共135页85第85页/共135页86反转时相互位置关系uhb=uhc=1uha=0BC导通uha=uhc=0uhb=1AC导通第86页/共135页87第87页/共135页88第88页/共135页89第89页/共135页901 1、 开关主电开关主电路路第90页/共135页9

25、1滤波电路实现直流电源的低通滤波，形成低内阻硬持性直流电压源，同时与绕组感性负载交换无功功率，其功能由大电容C2实现缓冲电路是为减少开关管承受的尖峰电压。由R3、C3、D7组成RDC缓冲电路。缓冲电容C3应选用高频特性好的无感电容，D7应选择过渡正向电压低、反向恢复时间短的快速恢复二极管。逆变电路：功率开关管T1T6、续流二极管D1D6功率开关管TlT6通常为GTR、功率MOSFET、IGBT、GTO以及MCT等功率电子器件，也可以为功率集成电路PIC或智能功率模块IPM第91页/共135页92 驱动电路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靠关断的驱动信号。驱动

26、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统的正常工作。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。第92页/共135页93常见集成驱动电路第93页/共135页94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：1)对转子位置传感器输出的信号、PWM调制信号、正反转和停车信号进行逻辑综合, 给驱动电路提供各开关管的斩波和选通信号, 实现电机的正反转及停车控制。2)产生PWM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。3)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

27、静态性能。4)实现短路、过流和欠压等故障保护功能等。第94页/共135页95控制电路的形式:1、分立元件全模拟电路经济型2、专用集成控制电路 规模化、专用3、数模混合控制电路 半数字化 (PID)4、全数字控制电路 高性能(MCU DSP)第95页/共135页96 第96页/共135页97 第97页/共135页98 第98页/共135页99具有PWM 开环速度控制、使能控制(起动或停止)、正反转控制和能耗制动控制等功能 在外围加少许元件，便可以实现软起动，调试及检测非常方便 内部有锯齿波振荡器，频率可以根据需要进行设定 具有过流保护、欠压保护、过热保护功能 20脚塑封封装，内部带有温度补偿基准

28、电源和转子位置传感器译码电路 第99页/共135页100 第100页/共135页101 第101页/共135页102 第102页/共135页103片内含有PWM转速控制电路，根据参考值进行变速控制。速度环由片内放大器控制，速度信号的检测通过监测VCO(压控振荡器)的输出来完成 采用专门的起动技术，起动顺序为：检测位置、驱动、加速、设定速度；起动速度快，起动时无反转 只用一个外部电阻就可调节和设定所有临界电流 可直接驱动12V电机的场效应管；也可用高端(对应逆变器的上桥臂)栅极驱动器驱动高压电机；可直接驱动外部场效应管的栅极且确保其不被击穿 由压控振荡器(VCO)、反电动势取样误差放大器和顺序器

29、构成锁相环，利用锁相技术实现三相无刷直流电动机的闭环换相 第103页/共135页104 第104页/共135页105第105页/共135页106 第106页/共135页107可以实现较复杂的控制 提高了控制的灵活性和适应性 无零点漂移，控制精度高 可提供人机界面，多机联网工作 使电路更简单 第107页/共135页108 第108页/共135页109第109页/共135页110第110页/共135页111 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

30、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 第111页/共135页112第112页/共135页113 第113页/共135页114 第114页/共135页115 第115页/共135页116第116页/共135页117 WG_COUNT WG_COUNT =WG_COMP WG_COMP WG中中断断 1 P6.0/WG1 P6.1/WG1 第117页/共135页118第118页/共135页119 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 ADC