永磁无刷直流电动机

永磁无刷直流电动机

PermanentMagnetBrushlessDCMotors(PMBLDCMs)三相三状态BLDCM原理传感器：H1=1H2=0H3=1导通相：B传感器：H1=1H2=0H3=0导通相：B传感器：H1=1H2=1H3=0导通相：C传感器：H1=0H2=1H3=0导通相：C传感器：H1=0H2=1H3=1导通相：A传感器：H1=0H2=0H3=1导通相：A传感器：H1=1H2=0H3=1导通相：B1基本结构与工作原理电动机控制器直流电源位置传感器输出无刷直流电机构成框图1-1基本原理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。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——自同步电机两相导通星形三相六状态时绕组和开关管导通顺序表1-2基本结构1）电机本体定子：与普通异步电机相同，铁心中嵌三相或多相对称绕组转子：永磁结构瓦形（径向磁化）矩形(切向磁化)环形(径向磁化)1——转轴；2——前端盖；3——螺钉，4——垫片；5——轴承；6——定子；7一转子；8一传感器转子；9——后端盖；10——传感器定子稀土水磁无刷直流电动机结构示意图三相星形三状态2)逆变器：最常用的为三相星形六状态和三相星形三状态三相星形六状态3)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。HallIC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。HallIC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滋材料(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。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。2三相永磁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2-1基本公式(三相六状态)1．电枢绕组感应电势单根导体在气隙磁场中感应电势e=B

Lv如电枢绕组每相串联匝数为W

，则每相绕组的感应电势为又因为所以：对于三相六状态电机,线电压为：结论无刷直流电机电动势公式与直流电机相似2．电枢电流电压平衡方程式：电源电压开关管的饱和管压降电阻压降电枢电流为：3.电磁转矩所以：Tem=CT

Ia结论无刷直流电机转矩公式与直流电机相似2-2三相永磁无刷直流电动机数学模型三相绕组的电压平衡方程为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由于三相绕组对称，相间互感相等，故：当三相绕组为Y连接，且没有中线，则：ia+ib+ic=0Mia+Mib=-MicMib+Mic=-MiaMia+Mic=-Mib所以得电压方程：电磁转矩为：该方程用于计算BLDCM的动稳态性能2-3BLDCM运行特性与特性分析一、电枢反应电机负载时电枢磁场对主磁场的影响称为电枢反应。电抠反应与磁路的饱和程度、转向、电抠绕组联结方式、导通顺序和磁状态角的大小有关。二相导通星形三相六状态为例对电枢反应进行分析三相六状态:磁状态角

m=60o;在一个磁状态下,两相绕组磁势方向不变，转子磁场顺时针旋转去磁助磁起始终止一个磁状态范围内，两相绕组的磁势结论：在一个磁状态范围内，电枢磁势在刚开始为最大去磁，然后逐渐减小，在1/2磁状态时不去磁不增磁，后半个磁状态逐渐增磁并达到最大值。增磁或去磁的数值等于电枢合成磁势Fa在转子磁极轴线上的投影，其最大值为：相磁势：电枢合成磁势: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。换相逻辑转向二、无刷直流电机正反转位置传感器与定子绕组、磁极的相互关系HallICPMPM正转时相互位置关系uha=uhb=1uhc=0AB导通uha=uhc=0uhb=1AC导通正转逻辑反转时相互位置关系uhb=uhc=1uha=0BC导通uha=uhc=0uhb=1AC导通反转逻辑正、反转时开关管的导通逻辑关系三、永磁无刷直流电动机的运行特性1、机械特性永磁无刷直流电动机的机械特性与有刷直流电动机的机械特性的表达式相同，机械特性较硬。但由于公式是在忽略电枢绕组电感时得到的，故与实际电机的机械待性有一定区别。永磁无刷直流电动机的机械特性曲线对比机械特性曲线组2、调节特性n=f(U)|Tem=C调节特性曲线组4BLDCM的换相分析换相前:AC导通V1

A

C

V2换相中：BC通、A续流V3

B

C

V2A

C

V2

D4

A(A相续流)换相后：BC通V3

B

C

V24-1换相过程中各相绕组中的电流变化换相过程中，各相绕组的电压、电流方程：假设不考虑定子绕组电阻、并令LM=L一M，则上式变为：电机各相绕组具有梯形波反电势，其平顶波宽大于120o电角度，幅值大小相等，因而有:相电势续流回路：BC相回路：因星形绕组中ia十ib十ic＝0，则有:续流回路：BC相回路：所以：换向过程中各相电流变化公式：设初值和终值为换向前后各相电流的值I，求解该组微分方程得：4-2换相过程的三种情况1）ia与ib变化率相等，即ia降为0的同时,ib达到稳态值I令ia(tf)=0，可得换相时间tf为令ib(tf)=I，可得换相时间tf为所以：U=4E

上式反应了在该换相条件下，外加电压与电机绕组反电势，也即转速之间的相应关系情况1特点：换相电流同时达到稳态情况1条件：U=4E

换相电流变化曲线换相电流变化曲线2）ia降为零时，ib还未达到稳态值I令ia(tf

)＝0，得ia降为零的时间tf

此时所以情况2发生的条件：U<4E

3）ib达到稳态值I时，ia还未降为零换相电流变化曲线发生条件：U>4E

4-3不同换相过程中转矩的脉动换相过程中的电磁转矩：因ia十ib十ic＝0，则有:换向期间电磁转矩与非换向相绕组中的电流成正比对于情形①：U＝4E

,T保持恒定对于情形②：U<4E

,T减少对于情形②：U>4E

,T增加在非换向时，即每个导通状态内，电机的电磁转矩为当U<4E

时：换向转矩脉动为：当U>4E

时：换向转矩脉动为:结论1、换向转矩脉动决定于绕组反电势，也就是电机的转速，而与电枢稳态电流无关。2、当转速很低或堵转时，E

0,T＝50％；3、当转速很高时，U＝2E

,T=-50％；4、当转速满足时，U＝4E

,T=0。5

永磁无刷直流电动机的控制器控制器是无刷直流电动机的三大组成部分之一，它主要包括开关主电路(即逆变器)、驱动电路和控制电路。5-1开关主电路对于单相交流电源供电、电机采用三相电枢绕组时，典型的开关主电路通常由整流电路、滤波电路、缓冲电路和逆变电路构成整流电路由变压器TR1和整流桥BRl组成,将交流电源转换为直流电源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T1~T6、续流二极管D1~D6功率开关管Tl~T6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IPM5-2驱动电路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。常见集成驱动电路5-3控制电路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静态性能。4)实现短路、过流和欠压等故障保护功能等。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(MCUDSP)eg1:以8098单片机为核心的数字式控制电路输入信号：转子位置传感器送来的VA、VB、VC，正反转及停车信号ZZ、FZ、STOP，过流信号IP及调速信号P0.4。输出至驱动电路的信号为UGl一UG6和PWM斩波信号。单片机8098、锁存器74LS373和片外程序存储器27128(EPROM)组成8098单片机最小系统。两片可编程逻辑器件GAL16V8实现对输入信号的逻辑综合。8098单片机通过软件实现PWM斩波信号输出、最佳起动过程，通过对位置传感器的信号计算测量转速、实现速度闭环和电流闭环的PID控制等功能。以8098单片机为核心的系统简介：eg2:实用型控制器实用型控制器介绍1)开关主电路电源电压48VDC，经LC滤波电路输出稳定的48V电压。采用三相桥式逆变器，工作方式为120o导通型星形三相六状态。功率开关管T1~T6选用高速型MOSFET器件IR540，D1~D6为续流二极管。采用一个整体型RCD缓冲电路。2)驱动电路采用IR公司的6单元驱动集成电路IR2130，该电路采用上桥臂自举电容工作，驱动6个单元仅用一路10-20V电源。输入信号可与TTL、M