新能源汽车电机驱动系统 课件 2.1.4 直流电机的性能特点及检测

直流电机的性能特点及检测主讲人：李互财新能源汽车电机驱动系统直流电机性能特点及检测直流电机以良好的启动性能、调速性能等优点著称，其中属于直流电机一类的有刷直流电机采用机械换向器，换向器和电刷在直流电机中扮演着重要的角色。无刷直流电机采用电子开关线路、转子位置传感器和控制器结构，克服了有刷直流电机的先天性缺陷，目前在工业控制、交通运输和家用电器等领域得到广泛应用。直流电机性能特点及检测随着电子技术、计算机技术和永磁材料的迅速发展，诞生了无刷直流电动机。这种电动机是典型的机电一体化产品，它利用电子开关线路和位置传感器来代替电刷和换向器，具备转速范围广、起动扭矩大、调速性好、体积小、重量轻等特点。直流电机性能特点及检测1、混合励磁同步电机的调速特性直流无刷电机广泛应用于驱动和伺服系统中，在许多场合，不但要求电机具有良好的启动和调节特性，而且要求电机能够正反转。直流无刷电机的运行可分为四种状态：正转电动、反转电动、正转制动和反转制动。控制逆变器功率期间的六种导通组合状态产生的六个定子磁势，每个相差60°，定子磁势向量图如图所示。下面结合两相导通星形三相六状态直流无刷电机的控制原理图来说明无刷电机的四种运行状态。定子电枢合成磁势表示为Fa.直流无刷电机的正反转定子磁势向量图区间1区间2区间3区间4区间5区间6Fa6Fa1Fa2Fa3Fa4Fa5直流电机性能特点及检测1、混合励磁同步电机的调速特性直流无刷电机的正反转当电机正转（顺时针方向）时，以产生最大的正向平均电磁转矩为原则，如定子磁势向量图，所示定子电枢合成磁势Fa应顺时针超前转子Fj60°~120°，即当Fj处于区间4时，定子磁势应为Fa4，如图所示导通VH和UL；当Fj处于区间5时，定子磁势应为Fa5,如图所示导通WH和UL。两相导通星形三相六状态直流无刷电机的控制原理图区间1区间2区间3区间4区间5区间6Fa6Fa1Fa2Fa3Fa4Fa5定子磁势向量图直流电机性能特点及检测1、混合励磁同步电机的调速特性当电机正转制动时，则以产生最大的负向平均转矩为原则，定子电枢合成磁势Fa应顺时针滞后转子Fj60°~120°，如图4所示当Fj处于区间2时，定子磁势应为Fa5，如图5所示导通VT4和VT5；如图4所示当Fj处于区间3时，定子磁势应为Fa6，如图5所示导通VT6和VT6。具体对应关系如表1和表2所示。同理，当电动机反转时，电枢合成磁势Fa逆时针超前转子Fj60°~120°；当电机反转制动时，定子电枢合成磁势Fa逆时针滞后转子Fj60°~120°根据两相导通星形三相六状态直流无刷电机的控制原理图所导通关系，具体对应关系如下表所示。直流电机性能特点及检测1、混合励磁同步电机的调速特性表1四象限运行Fa与Fj的对应关系表2定子合成磁势与功率器件导通的对应关系Fj区间1区间2区间3区间4区间5区间6正转电动Fa1Fa2Fa3Fa4Fa5Fa6正转制动Fa4Fa5Fa6Fa1Fa2Fa3反转电动Fa4Fa5Fa6Fa1Fa2Fa3反转制动Fa1Fa1Fa3Fa4Fa5Fa6定子合成磁势Fa1Fa2Fa3Fa4Fa5Fa6导通器件UHVLUHWLVHWLVHULWHULWHVL直流电机性能特点及检测1、混合励磁同步电机的调速特性直流无刷电机的运行特性将无刷直流电机的电路模型和转子动力学模型简化为如图所示,根据电压平衡方程和转矩平衡方程式，可得到如下平衡方程：式中，V,Ia分别为电机的电压和电流；Ra,La为绕组的电阻和电感；ω为转速；Kv为反感势系数；Jm为转动惯量；Bf为粘滞摩擦系数；Tr为负载转矩。转子动力学模型直流电机性能特点及检测1、混合励磁同步电机的调速特性直流无刷电机的运行特性由上面的关系式可得到直流无刷电动机的机械特性曲线和调节特定曲线。机械特性曲线如图所示。其中Te表示电机的瞬时电磁转矩，n表示电机转速，U为电压。可以看出，直流无刷电动机的机械特性曲线接近为一直线，随着直流电源电压的增加，机械特性向上平移，而直线斜率保持不变。无刷直流电机的机械特性曲线直流电机性能特点及检测1、混合励磁同步电机的调速特性直流无刷电机的运行特性无刷直流电动机的调节特性曲线如图所示.其中TL为负载转矩，n为电机转速，U为电压。直流无刷电动机的调节特性也为一直线，随着负载转矩的增加，特性线向右平移，而直线斜率保持不变。从以上分析可以看出，直流无刷电动机的两个主要运行特性——机械特性和调节特性都是线性的，可以通过调节直流电源电压实现无级调速，调速控制性能优异。无刷直流电机调节特性曲线直流电机性能特点及检测1、混合励磁同步电机的调速特性转子位置检测位置传感器是直流无刷电机的重要组成部分，其作用是检测转子磁场相对于定子各相绕组的位置，以确定各相绕组导通和关断的顺序。它有多种结构形式，常见的有电磁式、光电式和霍尔元件式。1.电磁式位置传感器。电磁式位置传感器是利用电磁效应来实现其位置测量作用的，主要有开口变压器、铁磁谐振电路、接近开关等多种类型。在直流无刷电动机中，用的较多的是开口变压器。

图1电磁式位置传感器(a)结构原理图；(b)剖面图直流电机性能特点及检测直流电机类型转子位置检测2.光电式位置传感器。光电式传感器是由固定在定子上的几个光电耦合开关和固定在转子轴上的遮光盘所组成。光电式位置传感器产生的电信号一般都较弱，需要经过放大才能去控制功率晶体管。但它输出的是直流电信号，不必再进行整流，这是它的一个优点。图2光电式位置传感器直流电机性能特点及检测直流电机类型转子位置检测3.霍尔式位置传感器。霍尔式位置传感器是指它的某些电参数按一定规律随周围磁场变化的半导体敏感元件，其基本原理为霍尔效应和磁阻效应。目前，常见的磁敏传感器有霍尔元件或霍尔集成电路、磁敏电阻器及磁敏二极管等多种。采用霍尔元件作为位置传感器的直流无刷电动机通常称为“霍尔无