第4章1无刷直流电机

1、电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 第第4章章 电驱动系统电驱动系统4.1 永磁无刷电动机系统永磁无刷电动机系统4.2 永磁无刷电动机工作方式永磁无刷电动机工作方式4.3 永磁无刷电动机数学模型永磁无刷电动机数学模型4.4 永磁无刷电动机转子位置信号检测永磁无刷电动机转子位置信号检测4.5 永磁无刷电动机控制原理及实现永磁无刷电动机控制原理及实现电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 4.1永磁无刷电动机系统永磁无刷电动机系统结构框图：结构框图：电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 4.1永磁无刷电动机系统永磁无刷电动机系统结构图：结构图：电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术

2、 4.1 永磁无刷电动机系统永磁无刷电动机系统电机本体结构：电机本体结构： 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 与普通直流与普通直流电机不同点？电机不同点？电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 4.1 永磁无刷电动机系统永磁无刷电动机系统转子结构形式：转子结构形式： 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 电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 4.1 永磁无刷

3、电动机系统永磁无刷电动机系统外转子式电动机结构：外转子式电动机结构：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 电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 4.1 永磁无刷电动机系统永磁无刷电动机系统电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 4.1 永磁无刷电动机系统永磁无刷电动机系统半桥式功率变换器：半桥式功率变换器： 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电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 4.1 永磁无刷电动机系统永磁无刷电动机系统桥式功率变换器：桥式功率变换器：c

4、) 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 电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 4.1 永磁无刷电动机系统永磁无刷电动机系统桥式功率变换器：桥式功率变换器：d) 三角形联结三相桥式主电路三角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 电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 4.1 永磁无刷电动机系统永磁无刷电动机系统主电路选择原则：主电路选择原则：1 1、绕组利用率绕组利用率：三

5、相绕组优于四相、五相。：三相绕组优于四相、五相。2 2、转矩脉动转矩脉动：相数越多，脉动越小。：相数越多，脉动越小。3 3、电路成本电路成本：相数越多，成本越高。：相数越多，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电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 4.1 永磁无刷电动机系统永磁无刷电动机系统基本工作原理：基本工作原理：电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 功率开关导通顺序：功率开关导通顺序：4.1 永磁无刷电动机系统永磁无刷电动机系统电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 工作原理工作原理4.1 永磁无刷电动机系统永磁无刷电动机系统ABCACAB结构特点结构特点

6、绕组绕线绕组绕线位置传感器位置传感器电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 工作原理工作原理4.1 永磁无刷电动机系统永磁无刷电动机系统ABCABCB电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 工作原理工作原理4.1 永磁无刷电动机系统永磁无刷电动机系统ABCCBCA电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 工作原理工作原理4.1 永磁无刷电动机系统永磁无刷电动机系统ABCCABA电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 工作原理工作原理4.1 永磁无刷电动机系统永磁无刷电动机系统ABCBABC电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 工作原理工作原理4.1 永磁无刷电动机系统永磁无刷电动机系统ABCBCAC电动

7、汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 工作原理工作原理4.1 永磁无刷电动机系统永磁无刷电动机系统ABCACAB转子角度？转子角度？电流变化？电流变化？电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 附：电角度和机械角度 当转子为一对极时：m=e； 当转子为n对极时： e=n m。电角度和机械角度电角度和机械角度电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 两种类型两种类型4.1 永磁无刷电动机系统永磁无刷电动机系统 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) 无刷直流电动机无刷直流电动机 (b) 永磁同步电动机永磁

8、同步电动机 电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 两种类型两种类型4.1 永磁无刷电动机系统永磁无刷电动机系统(a) 无刷直流电动机无刷直流电动机 (b) 永磁同步电动机永磁同步电动机 电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 星型三相半桥主电路星型三相半桥主电路4.2 永磁无刷电动机工作方式永磁无刷电动机工作方式 电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 0 120 240 360 480 t 0 120 240 360 480 t 0 120 240 360 480 t H1 H2 H3 星型三相半桥主电路星型三相半桥主电路4.2 永磁无刷电动机工作方式永磁无刷电动机工作方式电动汽车电驱动技术电动

9、汽车电驱动技术 星型三相桥式主电路星型三相桥式主电路 VT2 VT6 VT4 VT1 VT3 VT5 A B C + US - - 4.2 永磁无刷电动机工作方式永磁无刷电动机工作方式电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 星型三相桥式主电路：二二导通星型三相桥式主电路：二二导通4.2 永磁无刷电动机工作方式永磁无刷电动机工作方式电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 星型三相桥式主电路：三三导通星型三相桥式主电路：三三导通4.2 永磁无刷电动机工作方式永磁无刷电动机工作方式电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 角型三相桥式主电路角型三相桥式主电路 V T2 V T6 V T4 V T1 V T3

10、 V T5 C + US - - A C B 4.2 永磁无刷电动机工作方式永磁无刷电动机工作方式电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 角型三相桥式主电路：二二导通角型三相桥式主电路：二二导通4.2 永磁无刷电动机工作方式永磁无刷电动机工作方式电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 角型三相桥式主电路：三三导通角型三相桥式主电路：三三导通4.2 永磁无刷电动机工作方式永磁无刷电动机工作方式电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 假设假设: : (1) (1) 电动机的气隙磁感应强度在空间呈梯形电动机的气隙磁感应强度在空间呈梯形( (近近 似为方波似为方波) )分布；分布；(2) (2) 定子齿槽的

11、影响忽略不计；定子齿槽的影响忽略不计；(3) (3) 电枢反应对气隙磁通的影响忽略不计；电枢反应对气隙磁通的影响忽略不计；(4) (4) 忽略电机中的磁滞和涡流损耗；忽略电机中的磁滞和涡流损耗； (5) 三相绕组完全对称。三相绕组完全对称。 电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 定子相绕定子相绕组电压组电压定子相绕定子相绕组电流组电流定子相绕组定子相绕组自感、互感自感、互感定子相绕定子相绕组电动势组电动势微分算子cbacbacbacbaeeeiiidtdLMMMLMMMLiiirrruuu000000 三相绕组的电压平衡方程：三相绕组的电压平衡方程：电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 ：ia

12、+ib+ic=0Mia+Mib=-MicMib+Mic=-MiaMia+Mic=-MibcbacbacbacbaeeeiiidtdMLMLMLiiirrruuu000000000000 电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 r LM ec US VD1 VD4 VT1 VT4 VD5 VD2 VT3 VT6 VD3 VD6 VT5 VT2 r LM ea + - - + - - + - - ia ib ic r LM eb A B C 无刷直流电动机的等效电路：无刷直流电动机的等效电路：电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 直流无刷电动机反电动势：直流无刷电动机反电动势：电动汽车电驱动技术电动

13、汽车电驱动技术 设电枢绕组导体的有效长度为设电枢绕组导体的有效长度为L La a，导体的线速度为，导体的线速度为v v，则，则单根导体在气隙磁场中感应的电动势为：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如电枢绕组每相串联匝数为W ，则每相绕组的感应电动，则每相绕组的感应电动势幅值为：势幅值为： nCnpWeWEeim152aiLB 电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 转子位置传感器：转子位置传感器： 磁敏式位置传感器磁敏式位置传感器 霍尔元件霍尔元件 电磁式位置传感器电磁式位置传感器 高频线圈高频线圈 光电式位置传感器光

14、电式位置传感器 光耦合器件光耦合器件电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 霍尔效应霍尔效应电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 霍尔元件功能框图霍尔元件功能框图 ：电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 霍尔元件电磁转换：霍尔元件电磁转换：Hall IC电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 霍尔元件安装位置：霍尔元件安装位置： 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 电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 电磁式位置传感器：电磁式位置传感器：电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 光电式位置传感器：光电式位置传感器： 电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 1 1、写出

15、三相星形连接直流无刷电机电压平衡方程？、写出三相星形连接直流无刷电机电压平衡方程？2 2、根据电压平衡方程画出电机等效电路。、根据电压平衡方程画出电机等效电路。3 3、按照、按照2 2中等效电路，说明二二导通方式下，一个中等效电路，说明二二导通方式下，一个周期内开关导通周期内开关导通/ /关断与电机各相通电状态。关断与电机各相通电状态。4 4、若、若3 3中电机转子有四对极，求一个周期机械角度中电机转子有四对极，求一个周期机械角度和电角度。和电角度。5 5、画出三相绕组反电动势波形与开关管导通、画出三相绕组反电动势波形与开关管导通/ /关闭关闭状态对应关系。状态对应关系。6 6、无刷直流电机常

16、用位置传感器是什么？叙述各自、无刷直流电机常用位置传感器是什么？叙述各自工作原理。工作原理。电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 无位置传感器位置检测无位置传感器位置检测电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 端电压法端电压法 反电动势过零点反电动势过零点 ib r LM ec US VD1 VD4 VT1 VT4 VD5 VD2 VT3 VT6 VD3 VD6 VT5 VT2 r LM ea + - - + - - + - - ia N r LM eb A B C Uc0UB0UA0电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 换相点的确定：换相点的确定：电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 反电动势

17、检测电路：反电动势检测电路：电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 控制系统原理：控制系统原理： 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 电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 ON_PWM型：型： -60 0 60 120 180 240 300 360 VT1 VT4 VT3 VT6 VT5 VT2 t t t t t t 电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 PWM_ON型：型： -60 0 60 120

18、 180 240 300 360 VT1 VT4 VT3 VT6 VT5 VT2 t t t t t t 电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 -60 0 60 120 180 240 300 360 VT1 VT4 VT3 VT6 VT5 VT2 t t t t t t H_ON - L_PWM型：型：电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 H_PWM - L_PWM型：型： -60 0 60 120 180 240 300 360 VT1 VT4 VT3 VT6 VT5 VT2 t t t t t t 电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 单片机控制原理图：单片机控制原理图：电动汽车电驱动技术电动汽车电驱动技术 思考题：思考题：1 1、画出星形连接三相桥式主电路二二导通方式下各、画出星形连接三相桥式主电路二二导通方式下各相反电动势波形变化与开关导通