自动控制元件第六章课件无刷直流电动机

自动控制元件第六章课件无刷直流电动机概述用电子开关电路和位置传感器代替电刷和换向器，具有直流电动机的优点，又无电刷。不用电刷的换向器——电子换向器。优点：力矩大，控制容易。缺点:结构比较复杂。应用：越来越多。6.1无刷直流电动机的结构电动机本体、位置传感器和电子控制与开关电路三部分。电枢绕组放在定子上，磁极放在转子上，结构简单。转子是永磁磁极。电枢绕组是多相绕组，常用的是三相对称绕组。各相绕组与开关电路中的功率开关元件连接。6.2位置传感器作用：检测转子磁场相对于定子绕组的位置，并发出信号，控制功率放大元件通、断或改变定子绕组的电流。种类：

1）霍尔元件，位置测量精度低，但结构简单，价格低。

2）以旋转变压器、光电码盘为代表的通用角位移传感器，位置测量精度高，但结构复杂，价格高。霍尔元件：利用霍尔效应的半导体器件。电势、电流和磁密的方向符合右手定则，即磁密B垂直穿过右手心，四指指向电流方向，则拇指的方向就是电势的正方向。检测磁场的大小和方向。6.3无刷直流电动机的工作原理6.3.1霍尔电机工作原理1.两极四相电机2.两极三相电机6个通电状态(双绕组）无刷直流电机工作原理：定子绕组轮流导电，形成步进式旋转磁场，带动转子不断转动。步进电机绕组换流由外加脉冲信号控制。无刷直流电机绕组换流信号来自本身的传感器。上述无刷电机定、转子磁场轴线夹角θ为90º左右，与直流电机相似。6.3无刷直流电动机的工作原理绕组通电的不同状态的数目记为N，设绕组相数为m，则有－例如，前述2极4相电机，单相通电，N＝4；2极3相电机双向通电，N＝6。每相绕组导电时，转子所能转过的空间角度（电角）称为导通角。对于3相和4相电机，电枢磁势磁场轴线不变，转子所能转过的角度（电角）称为磁状态角，它就是磁势向量图中相邻磁势向量的夹角。磁势向量的数目等于状态数N，故有，定子和转子磁势夹角（电角）为6.3.2通电状态与磁状态角6.3无刷直流电动机的工作原理定子和转子磁场间的力矩为变化范围较大，无刷直流电动机瞬时转矩波动较大。电机幅频特性总是随频率的升高而下降。所以电磁转矩波动的不利影响，低速时较大。

6.3.4单向转动的电机与可逆转的电机位置传感器的输出信号处理电路不同，功放电路不同。差别较大。6.3.3转矩波动6.3无刷直流电动机的工作原理6.3.5动态方程无刷直流电动机就是采用电子换向器的直流电机。电压平衡方程式和转矩平衡方程式分别为动态方程、动态框图、传递函数与直流电动机完全相同。控制无刷直流电机的电压就可以调节电动机的速度。6.3无刷直流电动机的工作原理6.4交流伺服电动机名称：永磁交流伺服电动机，无刷直流伺服电动机，永磁同步伺服电动机，自控式同步电动机。机电一体化装置，包括电动机本体，角位移传感器，电子控制与功率放大电路。用DSP或专用集成电路芯片作控制器。在早期的无刷直流电动机的基础上，对传感器、控制器、功率开关放大电路等不断采用新技术进行更新换代的产品。一般为三相绕组。气隙磁密分布、相电流波形控制等方面，与前述无刷直流电机不同，性能更优越。6.4.1矩形波电流驱动的交流伺服电动机三相六状态无刷直流电机。气隙磁密与感应电势为阶梯波。由控制电路使电流为恒值，相位与电势平坦部分相同。理论上电磁转矩无波动。实际电机存在力矩波动。6.4交流伺服电动机6.4.2正弦波电流驱动气隙磁密与感应电势为正弦波。通过转子位置传感器检测出转子相对于定子的位置，由控制电路和功放电路的电流环使电流为正弦波，相位与感应电势相同。理论上电磁转矩无波动。实际上存在小的力矩波动。6.4交流伺服电动机6.4.3交流伺服电动机的选用两种驱动方式的功率放大器都是PWM电路，对电路会产生严重的脉冲电压扰动。矩形波驱动时位置传感器要求低，采用霍尔元件，电流环的结构也较简单，成本较低。但力矩波动大，波纹系数5％或6％。满足性能要求时，优先选用矩形波驱动方式。正弦波驱动时电流波形光滑，因此电机低速平稳性好，力矩波动系数小，可达到1％。定子绕组工艺较复杂。必须采用高分辨率的转子位置传感器，如旋转变压器或光电码盘。驱动器中电流环复杂。系统成本高。要求力矩波动小，低速大转矩运行且要求速度精度或位置精度很高时，可选用正弦波方式驱动。6.4交流伺服电动机6.4.4全数字式交流伺服系统包括两大部件：电机与驱动器。电机部件中包括电动机本体和位置传感器。传感器多用光电码盘。驱动器中实际包括控制器和功率放大器。其中控制器是数字控制器，采用电流环、速度环、位置环的三环控制及频率锁定控制。电流控制方法有滞环法、次谐波法和空间矢量法。功放电路采用SPWM电路，正弦波驱动方式。优点：在位置控制中，用户可以像应用步进电动机一样采用“开环”控制方式，用脉冲作输入信号，一个脉冲对应很小的一步，控制方法很简单。获得越来越广泛的应用。主要缺点：内部结构复杂，非专业人员无法维修；驱动电路会产生强大的高频电压脉冲扰动。6.4交流伺服电动机6.6直流无刷电动机的应用计算机，硬盘、软盘、光盘驱动器主轴。年用量数亿台。转速控制系统。对位置传感器的信号处理可得速度信号，可作反馈用。采用频率锁定回路可达到很高精度。全数字式交流伺服系统在伺服系统中应用越来越广。6.7开关磁阻电动机结构电动机本体，位置传感器，控制与功率开关电路。