2019-第7章无刷直流电动机-课件教学提纲.ppt

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1、温故知新温故知新(wn g zh xn)1、直流伺服电动机工作原理，换向器和电刷的作用？（P35）2、交流(jioli)同步伺服电动机工作原理（P54）第一页，共76页。直流伺服电机 交流(jioli)伺服电机第二页，共76页。第第7 7章章 无刷直流电动机无刷直流电动机(dngj)(dngj)Brushless DC Motors(BLDCMs)Brushless DC Motors(BLDCMs)第三页，共76页。47.1 无刷直流电动机(dngj)系统7.1.1 概述(i sh)及基本组成 无刷：克服传统直流电动机机械无刷：克服传统直流电动机机械(jxi)换向方式缺换向方式缺点点优点：调

2、速性能好，体积小质量轻，效率高，转动优点：调速性能好，体积小质量轻，效率高，转动惯量小，无励磁损耗惯量小，无励磁损耗应用领域：航空航天，机器人，数控机床等精密传应用领域：航空航天，机器人，数控机床等精密传动领域动领域第四页，共76页。57.1 无刷直流电动机(dngj)系统7.1.1 概述及基本(jbn)组成 无刷直流电机构成(guchng)框图第五页，共76页。6无刷直流电动机无刷直流电动机(dngj)(dngj)结结构构 (a)结构示意图(b)定转子实际结构 1.电动机本体(bnt)第六页，共76页。7表面式磁极 嵌入式磁极 环形磁极 内转子(zhun z)结构形式 第七页，共76页。8实

3、际电机 结构示意图 外转子(zhun z)无刷直流电动机 第八页，共76页。92.逆变器作用：控制电机定子作用：控制电机定子(dngz)各相绕组通电顺序和时间。各相绕组通电顺序和时间。分类：半桥式（半控）分类：半桥式（半控）桥式（全控）桥式（全控）第九页，共76页。102.逆变器b)四相半桥主电路 a)三相半桥主电路1)非桥式（半桥式）半控型第十页，共76页。112.逆变器2)桥式全控型c)星形联结三相桥式主电路 第十一页，共76页。122.逆变器d)三角形联结(linji)三相桥式主电路 2)桥式全控型第十二页，共76页。13主电路选择(xunz)原则绕组(roz)利用率：三相绕组(roz)

4、优于四相、五相绕组(roz)转矩脉动(midng)：相数越多，转矩脉动(midng)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十三页，共76页。3.位置(wi zhi)传感器 位置(wi zhi)传感器：实时检测转子位置(wi zhi)第十四页，共76页。153.位置(wi zhi)传感器 位置(wi zhi)传感器有位置(wi zhi)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十五页，共76页。164.控制器 控制器模拟(mn)控制系统 数字(shz)控制系统 分立元件加

5、少量集成电路构成(guchng)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 控制器控制器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 第十六页，共76页。17逆变器、位置(wi zhi)传感器与控制器 控制器：无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺控制器：无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺控制器：无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺控制器：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服功能的指挥服功能的指挥服功能的指挥(zhhu)(zhhu)(zhhu)(zhhu)中心中心中心中心 位置传感器：实时位置传感器：实时位置传感器：实时位置

6、传感器：实时(sh sh)(sh sh)(sh sh)(sh sh)检测转子位置检测转子位置检测转子位置检测转子位置逆变器逆变器逆变器逆变器：控制电机定子各相绕组通电顺序和时间：控制电机定子各相绕组通电顺序和时间三者共同组成换相装置，起到电子换向器作用三者共同组成换相装置，起到电子换向器作用第十七页，共76页。18永磁无刷直流永磁无刷直流电机电机(dinj)系系统图统图控制电路对转子(zhun z)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。7.1.2 基本工作(gngz

7、u)原理 第十八页，共76页。19工作工作(gngzu)原理原理磁极图示位置位置信号逻辑变换V1、V6开通(kitng)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(kitng)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自同步电机第十九页，共76页。20两相导通星形三相两相导通星形三相(sn xin)六状态时绕组和开关管导通顺六状态时绕组和开关管导通顺序表序表第

8、二十页，共76页。21无刷直流电动机无刷直流电动机(dngj)(dngj)回顾回顾1、系统、系统(xtng)组成及各部分作用组成及各部分作用2、简述工作原理、简述工作原理第二十一页，共76页。227.2 无刷直流电动机的主电路(dinl)及其工作方式 无刷直流电动机的主电路主要有星形联结三相(sn xin)半桥式、星形联结三相(sn xin)桥式和角形联结三相(sn xin)桥式三种形式。7.2.1 星形连接(linji)三相半桥主电路 第二十二页，共76页。23在三相半桥主电路(dinl)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。旋转

9、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(fngsh)叫做单相导通星形三相三状态。第二十三页，共76页。24三相三状态(zhungti)BLDCM 原理传感器：H1=1 H2=0 H3=1导通相：B第二十四页，共76页。25传感器：H1=1 H2=0 H3=0导通相：B第二十五页，共76页。26传感器：H1=1 H2=1 H3=0导通相：C第二十六页，共76页。27传感器：H1=0 H2=1 H3=0导通相：C第二十七页，共76页。28传感器：H1=0 H2=1 H3=1导通相：A第二十八页，共76页。29传感器：H1=0 H2=0 H3=1导通相：

10、A第二十九页，共76页。30传感器：H1=1 H2=0 H3=1导通相：B第三十页，共76页。317.2.2 星形连接三相(sn xin)桥式主电路 位置检测器的三个输出信号通过逻辑电路控制这些开关(kigun)管的导通和截止，其控制方式有两种：二二导通方式和三三导通方式。第三十一页，共76页。321.二二导通方式(fngsh)电机的瞬时电磁转矩可由电枢绕组(roz)的电磁功率求得：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(dinli)；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。

11、每一瞬间只有两个功率管导通第三十二页，共76页。33工作工作(gngzu)原理原理磁极图示位置位置信号逻辑变换(binhun)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(binhun)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第三十三页，共76页。34两相导通星形三相六状态时绕组两相导通星形三相六状态时绕组(roz)和开关管导通顺和开关管导通

12、顺序表序表第三十四页，共76页。35三相绕组的反电动势波形三相绕组的反电动势波形(b xn)(b xn)及其二二导通方式下的及其二二导通方式下的导通规律导通规律 第三十五页，共76页。2.三三导通方式(fngsh)每一瞬间有三个功率管同时(tngsh)导通第三十六页，共76页。372.三三导通方式(fngsh)三相(sn xin)绕组的反电动势波形及其三三导通方式下的导通规律 第三十七页，共76页。387.3 无刷直流电动机的电枢(din sh)反应电动机负载时电枢绕组产生(chnshng)的磁场对主磁场的影响称为电枢反应。电枢绕组的合成(hchng)磁动势变化如下图所示如图所示，电枢磁如图所

13、示，电枢磁动势的直轴分量动势的直轴分量F Fadad对转子主磁极产对转子主磁极产生最大去磁作用生最大去磁作用 第三十八页，共76页。39如图所示，电枢磁动如图所示，电枢磁动势的直轴分量势的直轴分量FadFad对对转子转子(zhun z)(zhun z)主磁主磁极产生最大增磁作用。极产生最大增磁作用。可见，在一个磁状态(zhungti)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(zhungti)时 既 不 去 磁 也 不 增 磁；在 后 半 个 磁 状 态(zhungti)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

14、上的投影，其最大值为第三十九页，共76页。40式中F 每相绕组(roz)的磁动势；W每相绕组(roz)的串联匝数；Kw绕组(roz)系数。由于在无刷直流电动机中磁状态角比较大，直轴电枢反应磁由于在无刷直流电动机中磁状态角比较大，直轴电枢反应磁动势可以达到相当大的数值，为了避免使永磁体发生永久失动势可以达到相当大的数值，为了避免使永磁体发生永久失磁，在设计时必须予以磁，在设计时必须予以(yy)(yy)注意。注意。第四十页，共76页。417-4 无刷直流电动机基本无刷直流电动机基本(jbn)公式与数公式与数学模型学模型无刷直流电机的磁场、电势、电流(dinli)波形方波电动机梯形波反电势与方波电流

15、(dinli)第四十一页，共76页。427.4.1 无刷直流电动机(dngj)的数学模型 假设(jish)(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)定子齿槽的影响(yngxing)忽略不计；(3)电枢反应对气隙磁通的影响(yngxing)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。直接利用电动机本身的相变量来建立数学模型 第四十二页，共76页。43三相绕组的电压平衡(pnghng)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第四十三页，共76页。44当三相绕组为Y连接，且没有(mi yu)中线，则：ia+ib+i

16、c=0Mia+Mib=-MicMib+Mic=-MiaMia+Mic=-Mib所以得电压(diny)方程：第四十四页，共76页。45无刷直流电动机(dngj)的等效电路如图所示 第四十五页，共76页。467.4.2 无刷直流电动机(dngj)的反电动势 无刷直流电动机气隙磁密及反电动势(fn din dn sh)波形如下图所示 第四十六页，共76页。47设电枢绕组导体(dot)的有效长度为La，导体(dot)的线速度为v，则单根导体(dot)在气隙磁场中感应的电动势为(V)(m/s)如电枢(din sh)绕组每相串联匝数为W，则每相绕组的感应电动势幅值为 第四十七页，共76页。487.4.3

17、无刷直流电动机稳态性能(xngnng)的动态模拟 依据基尔霍夫定律，可得换相过程中的电路(dinl)方程为续流结束后，换相完成(wn chng)，电路方程变为：以上两式构成了无刷直流电动机的线电压模型 第四十八页，共76页。497.4.4 无刷直流电动机稳态性能的简化(jinhu)分析 为了简化分析，假设(jish)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：式中UT开关器件的管压降；Ia 电枢电流；E 线电动势，即电机(dinj)的反电动势。第四十九页，共76页。50对于三相六状态(zhungti)无刷直流电动机，任一时刻都有两相绕组导通，故

18、电机的反电动势为 式中Ce 电机(dinj)的电动势常数，电枢电枢(din sh)(din sh)绕组的绕组的电流为电流为 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 第五十页，共76页。51电机电机(dinj)(dinj)的的转速为转速为 空载空载(kn(kn zi)zi)转速为转速为 电动势系数电动势系数(xsh)(xsh)为为 转矩系数为转矩系数为 第五十一页，共76页。527-5 无刷直流电动机(dngj)的运行特性7.5.1 机械(jxi)特性机械特性曲线 堵转转矩堵转转矩为 第五十二页，共76页。53调节特性 7.5.2 调节(tioji)特性调节(t

19、ioji)特性的始动电压和斜率分别为第五十三页，共76页。547-6 无刷直流电动机(dngj)转子位置信号的检测7.6.1 转子(zhun z)位置传感器磁敏式位置(wi zhi)传感器 霍尔元件电磁式位置(wi zhi)信感器 高频线圈光电式位置(wi zhi)信感器 光耦合器件第五十四页，共76页。55置于磁场中的载流体，如果电流方向(fngxing)与磁场垂直，则在垂直于电流和磁场的方向(fngxing)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

20、场合中使用。霍尔传感器主要有两大类，一类(y li)为开关型器件，一类(y li)为线性霍尔器件。第五十五页，共76页。56Hall IC霍尔元件磁电转换Hall IC霍尔元件功能方框图第五十六页，共76页。57Hall IC Hall IC 安装安装(nzhung)(nzhung)方式方式第一种方式：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(y xio)间隙处，安装着与电机轴同轴的永磁体。第二种方式：直接(zhji)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

21、处理后便可驱动逆变器工作。第五十七页，共76页。58Hall IC Hall IC 安装安装(nzhung)(nzhung)示意图示意图1、三个霍尔元件在空间依次相差(xin ch)120o电角度2、传感器磁极与转子磁极同轴旋转、极数相等、极性相对应第五十八页，共76页。59电磁式位置传感器的定子电磁式位置传感器的定子由磁芯、高频激磁绕组和由磁芯、高频激磁绕组和输出绕组组成，转子由扇输出绕组组成，转子由扇形磁芯和非导磁衬套组成形磁芯和非导磁衬套组成定、转子磁芯均由高频导定、转子磁芯均由高频导磁材料磁材料(如软磁铁氧体如软磁铁氧体)制制成。成。电机运行时，输入绕组中电机运行时，输入绕组中通以高频

22、激磁电流，当转通以高频激磁电流，当转子扇形磁芯处在输出绕组子扇形磁芯处在输出绕组下面时，输入和输出绕组下面时，输入和输出绕组通过定、转子磁芯耦台，通过定、转子磁芯耦台，输出绕组中则感应输出绕组中则感应(gnyng)(gnyng)出高频信号，经出高频信号，经滤波整形和逻辑处理后，滤波整形和逻辑处理后，即可控制逆变器开关管。即可控制逆变器开关管。第五十九页，共76页。60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(fz)，因而大大

23、限制了其在普通条件下的应用。第六十页，共76页。61(a)光电传感器电路原理图(b)4极电机所用的遮光盘 对于两相导通星形三相六状态无刷直流电动机，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(zhun z)磁极的相对位置类似于霍尔位置传感器。光电式位置光电式位置(wi zhi)(wi zhi)传感器是由传感器是由装在电机转子上的遮光盘和固定不装在电机转子上的遮光盘和固定不动的光电开关组成的，其原理如图动的光电开关组成的，其原理如图 (a)(a)所示。遮光盘上开有所示。遮光盘上开有180180电角电角度的扇形开口，扇形开口的数目等度的扇形开口，扇形开口的

24、数目等于无刷直流电动机转子磁极的极对于无刷直流电动机转子磁极的极对数，数，4 4极电机所用遮光盘如图极电机所用遮光盘如图(b)(b)所示；光电开关通常采用将发光二所示；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极管和光敏三极管封装在一起的光断续器。断续器。第六十一页，共76页。控制控制(kngzh)电机总结电机总结步进电机步进电机(dinj)自整角机自整角机测速发电机测速发电机 直流直流 交流交流(jioli)伺服电动机伺服电动机 直流直流 交流交流无刷直流电动机无刷直流电动机第六十二页，共76页。大作业大作业(zuy)要求要求题目：控制电机分析内容：1、概述 2、结构、工作原理

25、3、运行方式（控制方式）4、应用(yngyng)举例页数要求：至少8页（A4）格式要求：1、封皮 2、目录 3、正文 4、参考文献第六十三页，共76页。目录标题“目录”（三号、黑体(hit)、居中）章标题（四号、黑体(hit)、居左）节标题（小四、宋体）页码（小四、宋体）正文章标题（三号、黑体(hit)、居中）节标题（四号、黑体(hit)、居左）正文（小四号、宋体）第六十四页，共76页。电枢绕组在磁场中转动产电枢绕组在磁场中转动产生感应电势生感应电势(dinsh)，经换向，经换向器变换后，输出与转速成正比器变换后，输出与转速成正比的直流电压。的直流电压。工作(gngzu)原理1 直流测速发电机

26、直流测速发电机第六十五页，共76页。直流测速发电机原理(yunl)电路电压电压(diny)平衡方程式平衡方程式 1 直流测速发电机直流测速发电机第六十六页，共76页。直流测速发电机输出特性直流测速发电机输出特性 不同负载(fzi)时的理想输出特性1 直流测速发电机直流测速发电机第六十七页，共76页。工作工作(gngzu)原理原理励磁绕组(roz)输出绕组(roz)空心杯形转子感应(gnyng)测速发电机工作原理2 交流测速发电机交流测速发电机第六十八页，共76页。工作工作(gngzu)原理原理实质(shzh)：他励电动机电枢(din sh)绕组和励磁绕组，电枢(din sh)电压Ua与励磁电压

27、Uf彼此无关。3 直流伺服电动机直流伺服电动机第六十九页，共76页。控制控制(kngzh)方式方式电枢控制(kngzh)磁极控制(kngzh)3 直流伺服电动机直流伺服电动机第七十页，共76页。定子：励磁定子：励磁(l c)(l c)绕组和控制绕组。绕组和控制绕组。结结构和工作构和工作(gngzu)原理原理4 交流交流(jioli)伺服电动机伺服电动机第七十一页，共76页。放放大大器器检检测测元元件件控制信号控制信号控制信号控制信号+控制绕组控制绕组励磁绕组励磁绕组+1 1 幅值控制幅值控制(kngzh)相位控制相位控制(kngzh)4 交流交流(jioli)伺服电动机伺服电动机 控制控制(k

28、ngzh)方式方式第七十二页，共76页。5 步进电动机步进电动机步进电动机步进电动机输入输入(shr)：脉冲电信号：脉冲电信号输出：阶跃的角位移或线位移输出：阶跃的角位移或线位移分类分类工作方式工作方式(fngsh)：功率步进电动机，伺服步进电：功率步进电动机，伺服步进电动机动机励磁方式励磁方式(fngsh)：反应式、永磁式、混合式：反应式、永磁式、混合式第七十三页，共76页。工作工作(gngzu)原理原理定子有八个极，构成定子有八个极，构成(guchng)四相；转子六个齿。四相；转子六个齿。（a）A相通(xingtng)电（b）C相通(xingtng)电（c）B相通(xingtng)电（d）D相通(xingtng)电经过经过A C B D一个通电循环转子转过一个通电循环转子转过605 步进电动机步进电动机第七十四页，共76页。运行运行(ynxng)方式方式 四相八拍运行四相八拍运行(ynxng)四相双四拍运行四相双四拍运行(ynxng)四相单四拍运行四相单四拍运行通电方式为通电方式为AACCCBBBDDDA。通电方式为通电方式为ACCBBDDA通电方式为通电方式为ACBD5 步进电动机步进电动机第七十五页，共76页。6 力矩力矩(l j)式自整角机式自整角机工作工作(gngzu)原理原理图 力矩(l j)式自整角机的原理图 第七十六页，共76页。