特种电机及其控制.ppt

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1、特种电机及其控制孙建忠 白凤仙 编著中国水利水电出版社1特种电机及其控制第第1 1章章 无刷直流电动机无刷直流电动机 及其控制系统及其控制系统Permanent Magnet Brushless DC Motors(PM BLDCMs)2大连理工大学电气工程系三相三状态BLDCM 原理传感器：传感器：H1=1 H2=0 H3=1导通相：导通相：B3特种电机及其控制传感器：传感器：H1=1 H2=0 H3=0导通相：导通相：B4特种电机及其控制传感器：传感器：H1=1 H2=1 H3=0导通相：导通相：C5特种电机及其控制传感器：传感器：H1=0 H2=1 H3=0导通相：导通相：C6特种电机及

2、其控制传感器：传感器：H1=0 H2=1 H3=1导通相：导通相：A7特种电机及其控制传感器：传感器：H1=0 H2=0 H3=1导通相：导通相：A8特种电机及其控制传感器：传感器：H1=1 H2=0 H3=1导通相：导通相：B9特种电机及其控制1.1 无刷直流电动机系统无刷直流电动机系统1.1.1 基本组成基本组成 无刷直流电机构成框图无刷直流电机构成框图10特种电机及其控制无刷直流电动机结构无刷直流电动机结构无刷直流电动机结构无刷直流电动机结构(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 1.1.电动机本体电动机本体 11特种电机及其控制表面式磁极表面式磁极 嵌入式磁极嵌入

3、式磁极 环形磁极环形磁极 内内转子结构形式转子结构形式转子结构形式转子结构形式 12特种电机及其控制实际电机实际电机 结构示意图结构示意图 外转子无刷直流电动机外转子无刷直流电动机 13特种电机及其控制2.2.逆变器逆变器b)b)四相半桥主电路四相半桥主电路 a)a)三相半桥主电路三相半桥主电路1)非桥式（半桥式）非桥式（半桥式）半控型半控型14特种电机及其控制2.2.逆变器逆变器2)桥式桥式全控型全控型c)c)星形联结三相桥式主电路星形联结三相桥式主电路 15特种电机及其控制2.2.逆变器逆变器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 2)桥式桥式全控型全控型16特种电机及其控制

4、2.2.逆变器逆变器2)桥式桥式全控型全控型e)正交两相全控型主电路正交两相全控型主电路 17特种电机及其控制2.2.逆变器逆变器2)桥式桥式全控型全控型f)封闭形联结四相桥式主电路封闭形联结四相桥式主电路 18特种电机及其控制主电路选择原则主电路选择原则绕组利用率：绕组利用率：三相绕组优于四相、五相绕组三相绕组优于四相、五相绕组转矩脉动：转矩脉动：相数越多，转矩脉动越小相数越多，转矩脉动越小电路成本：电路成本：相数越多，电路成本越高相数越多，电路成本越高星形联接三相桥式主电路应用最多星形联接三相桥式主电路应用最多19特种电机及其控制3.3.位置检测器位置检测器 位位置置检检测测器器有位有位置

5、传置传感器感器检测检测无位无位置传置传感器感器检测检测磁敏式磁敏式光电式光电式电磁式电磁式接近开关式接近开关式正余弦变压器正余弦变压器编码器编码器反电动势检测反电动势检测续流二极管工作状态检测续流二极管工作状态检测定子三次谐波检测定子三次谐波检测瞬时电压方程法瞬时电压方程法20特种电机及其控制4.4.控制器控制器 控控制制器器模拟模拟控制控制系统系统 数字数字控制控制系统系统 分立元件加少量集分立元件加少量集成电路构成的模拟成电路构成的模拟控制系统控制系统 基于专用集成电路基于专用集成电路的控制系统的控制系统 数模混合控制系统数模混合控制系统 全数字控制系统全数字控制系统 控制器控制器控制器控

6、制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服 功能的指挥中心功能的指挥中心 21特种电机及其控制永磁无刷直流永磁无刷直流电机系统图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后产生脉宽调制PWMPWM信号，经过驱动电路放大送至逆信号，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。顺序工作，在电机气隙中产生跳跃式旋转磁场。1.1.2 基本工作原理基本工作原理 22特种电机及

7、其控制工作原理工作原理磁极图示位置磁极图示位置位置信号位置信号逻辑变换逻辑变换V1、V6开通开通 A、B相相导导通通I:E+-A-B-E-电机顺时针旋转电机顺时针旋转磁极转过磁极转过60o图示位置图示位置位置信号位置信号逻辑变换逻辑变换V1、V2 开通开通 A、C相相导导通通I:E+-A-C-E-电机顺时针旋转电机顺时针旋转转子每转过转子每转过60o，逆变器开关管换流一次、定子磁状，逆变器开关管换流一次、定子磁状态改变一次，电机有态改变一次，电机有6个磁状态，三相各导通个磁状态，三相各导通120o两相导通三相六状态两相导通三相六状态转子磁场顺时针连续旋转、定子磁场隔转子磁场顺时针连续旋转、定子

8、磁场隔60O跳跃旋转跳跃旋转自同步电机自同步电机23特种电机及其控制两相导通星形三相六状态时绕组和开关管导通顺序表两相导通星形三相六状态时绕组和开关管导通顺序表24特种电机及其控制1.1.3 1.1.3 无刷直流电动机与永磁同步电动机无刷直流电动机与永磁同步电动机无刷直流电动机与永磁同步电动机无刷直流电动机与永磁同步电动机 由变频器供电的永磁同步电动机加上转子位置闭环由变频器供电的永磁同步电动机加上转子位置闭环控制系统后构成自同步永磁电动机，既具有永磁直控制系统后构成自同步永磁电动机，既具有永磁直流电动机的优异调速性能，又实现了无刷化。流电动机的优异调速性能，又实现了无刷化。无刷直流电动机与永

9、磁同步电动机两种驱动无刷直流电动机与永磁同步电动机两种驱动模式的波形比较如下图所示。模式的波形比较如下图所示。无刷直流电动机出力大、控制简单、成本低，其调无刷直流电动机出力大、控制简单、成本低，其调速性能已能达到低速转矩脉动小于速性能已能达到低速转矩脉动小于3、调速比大、调速比大于于1:10000的水平，因而越来越多地受到人们的青的水平，因而越来越多地受到人们的青睐。睐。25特种电机及其控制(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 26特种电机及其控制1.2 无刷直流电动机的主电路及其工作方式无刷直流电动机的主电路及其工作方式 无无无无刷刷刷刷直直直直流流流流电电电

10、电动动动动机机机机的的的的主主主主电电电电路路路路主主主主要要要要有有有有星星星星形形形形联联联联结结结结三三三三相相相相半半半半桥桥桥桥式式式式、星星星星形形形形联联联联结结结结三三三三相相相相桥桥桥桥式式式式和和和和角角角角形形形形联联联联结结结结三三三三相相相相桥式三种形式。桥式三种形式。桥式三种形式。桥式三种形式。1.2.1 星形连接三相半桥主电路星形连接三相半桥主电路 27特种电机及其控制在三相半桥主电路中，位置信号有在三相半桥主电路中，位置信号有1/3周期为高电平、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周期为低电平，各传感器之间的相位差也是1/3周期，如周期，如

11、图所示。图所示。旋旋转转磁磁场场在在360360 电电角角度度范范围围内内有有三三种种磁磁状状态态，每每种种磁磁状状态态持持续续120120 电电角角度度。我我们们把把这这种种工工作作方方式式叫叫做单相导通星形做单相导通星形三相三状态三相三状态。28特种电机及其控制1.2.2 星形连接三相桥式主电路星形连接三相桥式主电路 位位置置检检测测器器的的三三个个输输出出信信号号通通过过逻逻辑辑电电路路控控制制这这些些开开关关管管的的导导通通和和截截止止，其其控控制制方方式式有有两两种种：二二二二二二二二导导导导通通通通方式和三三导通方式方式和三三导通方式方式和三三导通方式方式和三三导通方式。29特种电

12、机及其控制1.1.二二导通方式二二导通方式二二导通方式二二导通方式 电机的瞬时电磁转矩可由电枢绕组的电磁功率求得：式中式中E Ea a、E Eb b、E Ec cA A、B B、C C三相绕组的反电动势；三相绕组的反电动势；i ia a、i ib b、i ic cA A、B B、C C三相绕组的电流；三相绕组的电流；转子的机械角速度。转子的机械角速度。可可见见，电电磁磁转转矩矩取取决决于于反反电电动动势势的的大大小小。在在一一定定的的转转速下，如果电流一定，反电动势越大，转矩越大。速下，如果电流一定，反电动势越大，转矩越大。30特种电机及其控制三相绕组的反电动势波形及其二二导通方式下的导通规律

13、三相绕组的反电动势波形及其二二导通方式下的导通规律 31特种电机及其控制2.2.三三导通方式三三导通方式三三导通方式三三导通方式 三相绕组的反电动势波形及其三三导通方式下的导通规律三相绕组的反电动势波形及其三三导通方式下的导通规律 32特种电机及其控制1.2.3 角形连接三相桥式主电路角形连接三相桥式主电路 如图所示的角形联结三相桥式主电路的开关管也采用功率如图所示的角形联结三相桥式主电路的开关管也采用功率MOSFET。与星形联结一样，角形联结的控制方式也有。与星形联结一样，角形联结的控制方式也有二二二导通和三三导通二导通和三三导通两种。两种。33特种电机及其控制1.1.二二导通方式二二导通方

14、式二二导通方式二二导通方式 电枢绕组的反电动势波形及其角形联结二二导通方式的导通规律电枢绕组的反电动势波形及其角形联结二二导通方式的导通规律 34特种电机及其控制2.2.三三导通方式三三导通方式三三导通方式三三导通方式 电枢绕组的反电动势波形及其角形联结三三导通方式的导通规律电枢绕组的反电动势波形及其角形联结三三导通方式的导通规律 35特种电机及其控制1.3 无刷直流电动机的电枢反应无刷直流电动机的电枢反应电动机负载时电枢绕组产生的磁场对主磁场的影响称为电动机负载时电枢绕组产生的磁场对主磁场的影响称为电枢反应电枢反应。电枢绕组的合成磁动势变化电枢绕组的合成磁动势变化如下图所示如下图所示如图所示

15、，电枢如图所示，电枢如图所示，电枢如图所示，电枢磁动势的直轴分磁动势的直轴分磁动势的直轴分磁动势的直轴分量量量量F Fadad对转子主磁对转子主磁对转子主磁对转子主磁极产生最大去磁极产生最大去磁极产生最大去磁极产生最大去磁作用作用作用作用 36特种电机及其控制如图所示，电枢磁如图所示，电枢磁如图所示，电枢磁如图所示，电枢磁动势的直轴分量动势的直轴分量动势的直轴分量动势的直轴分量F Fadad对转子主磁极产生对转子主磁极产生对转子主磁极产生对转子主磁极产生最大增磁作用。最大增磁作用。最大增磁作用。最大增磁作用。可可见见，在在一一个个磁磁状状态态范范围围内内，电电枢枢磁磁动动势势在在刚刚开开始始为

16、为最最大大去去磁磁，然然后后去去磁磁磁磁动动势势逐逐渐渐减减小小；在在1/21/2磁磁状状态态时时既既不不去去磁磁也也不不增增磁磁；在在后后半半个个磁磁状状态态内内增增磁磁逐逐渐渐增增大大，最最后后达达到到最最大大值值。增增磁磁和和去去磁磁磁磁动动势势的的大大小小等等于于电电枢枢合合成成磁磁动势动势F Fa a在转子磁极轴线上的投影，其最大值为在转子磁极轴线上的投影，其最大值为37特种电机及其控制式中F 每相绕组的磁动势；W每相绕组的串联匝数；Kw绕组系数。由于在无刷直流电动机中磁状态角比较大，直轴电枢反由于在无刷直流电动机中磁状态角比较大，直轴电枢反由于在无刷直流电动机中磁状态角比较大，直轴

17、电枢反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应磁动势可以达到相当大的数值，为了避免使永磁体发应磁动势可以达到相当大的数值，为了避免使永磁体发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磁，在设计时必须予以注意。生永久失磁，在设计时必须予以注意。生永久失磁，在设计时必须予以注意。生永久失磁，在设计时必须予以注意。38特种电机及其控制1-4 无刷直流电动机基本公式与数学模型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、电流波形无刷直流电机的磁场、电势、电流波形方波电动机方波电动机梯形波反电势与方波电流梯形波反电势与方

18、波电流39特种电机及其控制1.4.1 无刷直流电动机的数学模型无刷直流电动机的数学模型 假设假设(1)(1)电电动动机机的的气气隙隙磁磁感感应应强强度度在在空空间间呈呈梯梯形形(近近 似为方波似为方波)分布；分布；(2)(2)定子齿槽的影响忽略不计；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。直接利用电动机本身的相变量来建立数学模型直接利用电动机本身的相变量来建立数学模型 40特种电机及其控制三相绕组的电压平衡方程为三相绕组的

19、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41特种电机及其控制当三相绕组为当三相绕组为当三相绕组为当三相绕组为Y Y连接，且没有中线，则连接，且没有中线，则连接，且没有中线，则连接，且没有中线，则：ia+ib+ic=0Mia+Mib=-MicMib+Mic=-MiaMia+Mic=-Mib所以得电压方程：所以得电压方程：42特种电机及其控制无刷直流电动机的等效电路如图所示无刷直流电动机的等效电路如图所示无刷直流电动机的等效电路如图所示无刷直流电动机的等效电路如图所示 43特种电机及其控制1.4.2 无刷直流电动机的反电动势无刷直流电动机的反电动势 无

20、刷直流电动机气隙磁密及反电动势波形如下图所示无刷直流电动机气隙磁密及反电动势波形如下图所示 44特种电机及其控制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)(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 45特种电机及其控制1.4.3 无刷直流电动机稳态性能的动态模拟无刷直流电动机稳态性能的动态模拟 依据基尔霍夫定律，可得换相过程中的电路方程为依据基尔霍夫定律，可得换相过程中的电路方

21、程为续流结束后，换相完成，电路方程变为：续流结束后，换相完成，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以上两式构成了无刷直流电动机的线电压模型以上两式构成了无刷直流电动机的线电压模型以上两式构成了无刷直流电动机的线电压模型 46特种电机及其控制1.4.4 无刷直流电动机稳态性能的简化分析无刷直流电动机稳态性能的简化分析 为了简化分析，假设不考虑开关器件动作的过渡过程，并为了简化分析，假设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：可以简化为：式中UT开关器件的管压降；Ia 电枢电流

22、；E 线电动势，即电机的反电动势。47特种电机及其控制对于对于三相六状态三相六状态三相六状态三相六状态无刷直流电动机，任一时刻都有两相绕无刷直流电动机，任一时刻都有两相绕组导通，故电机的反电动势为组导通，故电机的反电动势为 式中Ce 电机的电动势常数，电枢绕组的电流为电枢绕组的电流为电枢绕组的电流为电枢绕组的电流为 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，则转子磁场相互作用产生，则 48特种电机及其控制电机的转速为电机的转速为电机的转速为电机的转速为 空载转速为空载转速为空载转速为空载转速为 电动势系数为电动势系数为

23、电动势系数为电动势系数为 转矩系数为转矩系数为转矩系数为转矩系数为 49特种电机及其控制1-5 无刷直流电动机的运行特性无刷直流电动机的运行特性1.5.1 机械特性机械特性机械特性曲线 堵转转矩堵转转矩堵转转矩堵转转矩为为 50特种电机及其控制调节特性 1.5.2 调节特性调节特性调节特性的始动电压和斜率分别为调节特性的始动电压和斜率分别为51特种电机及其控制1.5.3 工作特性工作特性工作特性 120W样机效率特性 52特种电机及其控制1.6 无刷直流电动机的转矩脉动无刷直流电动机的转矩脉动1.6.1 转矩脉动的定义及引起转矩脉动的原因转矩脉动的定义及引起转矩脉动的原因转矩脉动定义为转矩脉动

24、定义为 转矩脉动的主要原因转矩脉动的主要原因转矩脉动的主要原因转矩脉动的主要原因(1)(1)电磁因素引起的转矩脉动电磁因素引起的转矩脉动(2)(2)换相引起的转矩脉动换相引起的转矩脉动 ；(3)(3)定子齿槽引起的转矩脉动；定子齿槽引起的转矩脉动；(4)(4)电枢反应的影响电枢反应的影响 ；(5)(5)机械工艺引起的转矩脉动机械工艺引起的转矩脉动 53特种电机及其控制1.6.2 换相与转矩脉动换相与转矩脉动1.1.换相过程中的相电流和转矩换相过程中的相电流和转矩 换相过程中电路方程换相过程中电路方程换相过程中电路方程换相过程中电路方程为为为为由于由于又又得得54特种电机及其控制整理，得整理，得

25、换向过程中各相电流变化公式：换向过程中各相电流变化公式：换向过程中各相电流变化公式：换向过程中各相电流变化公式：55特种电机及其控制解上述微分方程组，并考虑各相电流的初值和终值为换相解上述微分方程组，并考虑各相电流的初值和终值为换相前后各相电流的稳态值前后各相电流的稳态值，得，得56特种电机及其控制2.2.电机转速对换相的影响电机转速对换相的影响电机转速对换相的影响电机转速对换相的影响(三种情况三种情况三种情况三种情况)1 1）i ia a与与与与i ib b变化率相等，即变化率相等，即变化率相等，即变化率相等，即i ia a降为降为降为降为0 0的同时的同时的同时的同时,i,ib b达到稳态

26、值达到稳态值达到稳态值达到稳态值I I令令令令i ia a(t(tf f)=0)=0，可得换相时间为，可得换相时间为，可得换相时间为，可得换相时间为令令令令i ib b(t(tf f)=I)=I，可得换相时间为，可得换相时间为，可得换相时间为，可得换相时间为所以：所以：U=4E 上式反应了在该换相条件下，外加电压与电机上式反应了在该换相条件下，外加电压与电机绕组反电势绕组反电势(也即转速也即转速)之间的相应关系之间的相应关系57特种电机及其控制情况情况情况情况1 1特点：换相电流同时达到稳态特点：换相电流同时达到稳态特点：换相电流同时达到稳态特点：换相电流同时达到稳态情况情况情况情况1 1条件

27、：条件：条件：条件：U=4E U=4E 换相电流变化曲线换相电流变化曲线换相电流变化曲线换相电流变化曲线58特种电机及其控制换相电流变化曲线换相电流变化曲线换相电流变化曲线换相电流变化曲线2 2）i ia a降为零时，降为零时，降为零时，降为零时，i ib b还未还未还未还未达到稳态值达到稳态值达到稳态值达到稳态值I I此时此时所以所以所以所以情况情况情况情况2 2发生的条件发生的条件发生的条件发生的条件：U4EU4E 60特种电机及其控制3.不同换相过程中转矩的脉动不同换相过程中转矩的脉动换相过程中的电磁转矩：换相过程中的电磁转矩：换相过程中的电磁转矩：换相过程中的电磁转矩：因因ia十十ib

28、十十ic0，则有，则有:换向期间电磁转矩与非换向相绕组中的电流成正比换向期间电磁转矩与非换向相绕组中的电流成正比换向期间电磁转矩与非换向相绕组中的电流成正比换向期间电磁转矩与非换向相绕组中的电流成正比61特种电机及其控制对于情形对于情形1：U4E,T保持恒定保持恒定对于情形对于情形2：U4E,T增加增加在非换相时，即每个导通状态内，电机的电磁转矩为在非换相时，即每个导通状态内，电机的电磁转矩为当当U4E 时：时：换向转矩脉动为换向转矩脉动为:结结 论论1 1、换相转矩脉动决定于绕组反电势，也就是电机、换相转矩脉动决定于绕组反电势，也就是电机、换相转矩脉动决定于绕组反电势，也就是电机、换相转矩脉

29、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。的转速，而与电枢稳态电流无关。的转速，而与电枢稳态电流无关。的转速，而与电枢稳态电流无关。2 2、当转速很低或堵转时，当转速很低或堵转时，当转速很低或堵转时，当转速很低或堵转时，E 0,T0,Tr r5050；3 3、当转速很高时，、当转速很高时，、当转速很高时，、当转速很高时，U U 2 2E ,T,Tr r=-=-5050；4 4、当转速满足时，、当转速满足时，、当转速满足时，、当转速满足时，U U4 4E ,T,Tr r=0 0。63特种电机及其控制1-7 1-7 无刷直流电动机转子位置信号的检测无刷直流电动机转子位置信号的检测

30、无刷直流电动机转子位置信号的检测无刷直流电动机转子位置信号的检测1.7.1 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信感器电磁式位置信感器 高频线圈高频线圈光电式位置信感器光电式位置信感器 光耦合器件光耦合器件64特种电机及其控制置于磁置于磁场中的中的载流体，如果流体，如果电流方向与磁流方向与磁场垂直，垂直，则在垂直于在垂直于电流和磁流和磁场的方向会的方向会产生一附加的横向生一附加的横向电场，这个个现象是霍普金斯大学研究生霍象是霍普金斯大学研究生霍尔于于1879年年发现的，的，后被称后被称为霍霍霍霍尔尔效效效效应应。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础

31、，是一种磁传感器。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。中使用。霍尔传感器主要有两大类，一类为霍尔传感器主要有两大类，一类为开关型开关型器件器件，一类为，一类为线性霍尔器件线性霍尔器件。65特种电机及其控制Hall IC霍尔元件磁电转换霍尔元件磁电转换Hall IC霍尔元件功能方框图霍尔元件功能方框图66特种电机及其控制Hall IC Hall IC 安装方式安装方式第一种方式：第一种方式：将霍尔元件粘贴于电机端盖内表面，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，

32、安装着与电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。机轴同轴的永磁体。第二种方式：第二种方式：直接将霍尔元件敷贴在定子电枢铁心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。大处理后便可驱动逆变器工作。67特种电机及其控制Hall IC Hall IC 安装示意图安装示意图1、三个霍尔元件在、三个霍尔元件

33、在空间依次相差空间依次相差120o电电角度角度2、传感器磁极与转、传感器磁极与转子磁极同轴旋转、极子磁极同轴旋转、极数相等、极性相对应数相等、极性相对应68特种电机及其控制电磁式位置传感器电磁式位置传感器电磁式位置传感器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磁材料(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。69特种电机及其控制优点优点优点优点1 1：电磁式传感器具

34、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。优点优点优点优点2 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：缺点：缺点：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。70特种电机及其控制(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两相导通星形三相六状态两相导通星形三相六状态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磁极的相对位置类似于霍尔位置传感器。光电式位置传感器光电式位置传感器光电

35、式位置传感器光电式位置传感器是由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(a)所示。遮光盘上开有180电角度的扇形开口，扇形开口的数目等于无刷直流电动机转子磁极的极对数，4极电机所用遮光盘如图(b)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断续器。71特种电机及其控制1.7.2 常用的无位置传感器位置检测方法常用的无位置传感器位置检测方法反电动势检测法反电动势检测法续流二极管工作状态检测法续流二极管工作状态检测法定子三次谐波检测法定子三次谐波检测法瞬时电压方程法瞬时电压方程法72特种电机及其控制1.7.2 利用反电动势检测转子位置利用反电动势检测转子位置1

36、.用端电压法检测反电动势过零点用端电压法检测反电动势过零点 A、B相导通时的电流回路图 73特种电机及其控制电机三相绕组输出端对直流电源地的电压方程组为电机三相绕组输出端对直流电源地的电压方程组为电机三相绕组输出端对直流电源地的电压方程组为电机三相绕组输出端对直流电源地的电压方程组为 反电动势过零检测方程组为反电动势过零检测方程组为反电动势过零检测方程组为反电动势过零检测方程组为 74特种电机及其控制三相绕组反电动势过零点检测方程组的第二种形式为三相绕组反电动势过零点检测方程组的第二种形式为三相绕组反电动势过零点检测方程组的第二种形式为三相绕组反电动势过零点检测方程组的第二种形式为 三相绕组反

37、电动势过零点检测方程组的又种形式为三相绕组反电动势过零点检测方程组的又种形式为三相绕组反电动势过零点检测方程组的又种形式为三相绕组反电动势过零点检测方程组的又种形式为 75特种电机及其控制基于端电压的反电动势检测电路基于端电压的反电动势检测电路 76特种电机及其控制基于相电压的反电动势检测电路基于相电压的反电动势检测电路基于相电压的反电动势检测电路基于相电压的反电动势检测电路 2.用相电压法检测反电动势过零点用相电压法检测反电动势过零点 将上图中检测电阻的中性点将上图中检测电阻的中性点将上图中检测电阻的中性点将上图中检测电阻的中性点OO与电源的负极断开，就得到与电源的负极断开，就得到与电源的负

38、极断开，就得到与电源的负极断开，就得到如图所示的检测电路如图所示的检测电路如图所示的检测电路如图所示的检测电路 反电动势的检测方程组为 77特种电机及其控制3.3.换相点的确定换相点的确定换相点的确定换相点的确定延迟延迟延迟延迟3030换相原理图换相原理图换相原理图换相原理图 78特种电机及其控制1-8 1-8 无刷直流电动机的控制原理及实现无刷直流电动机的控制原理及实现无刷直流电动机的控制原理及实现无刷直流电动机的控制原理及实现1.8.1 无刷直流电动机控制系统原理无刷直流电动机控制系统原理79特种电机及其控制1.8.2 数字控制系统中数字控制系统中PID控制算法的实现控制算法的实现PID(

39、比例、积分、微分比例、积分、微分)控制算法常用于需要对变化的控制算法常用于需要对变化的条件进行校正的闭环控制系统。条件进行校正的闭环控制系统。控制规律为控制规律为控制规律为控制规律为 离散的增量式离散的增量式离散的增量式离散的增量式PIDPID控制算法为控制算法为控制算法为控制算法为 80特种电机及其控制1.8.3 PWM调制方式调制方式(1)on_pwm型型 81特种电机及其控制(2)pwm_on(2)pwm_on型型型型 82特种电机及其控制(3)H_pwm-L_on(3)H_pwm-L_on型型型型 在在各各自自的的120120 导导通通区区间间内内，上上桥桥臂臂功功率率开开关关通通过过

40、PWMPWM调制、下桥臂开关管恒通。调制、下桥臂开关管恒通。(4)H_on-L_pwm(4)H_on-L_pwm型型型型 83特种电机及其控制(5)H_pwm-L_pwm(5)H_pwm-L_pwm型型型型 84特种电机及其控制由于功率开关管只能单向导通，所以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。只有靠控制绕组的导通顺序来实现。现。换相逻辑换相逻辑转向转向1.8.4 无刷直流电机正反转无刷直流电机正反转位置传感器与定子绕组、磁极的相互关系位置传感器与定子绕组、磁极的相互关系位置传感器与定子绕组、磁极的相互关

41、系位置传感器与定子绕组、磁极的相互关系Hall ICPMPM85特种电机及其控制正正转转时时相相互互位位置置关关系系uha=uhb=1uhc=0AB导通导通uha=uhc=0uhb=1AC导通导通86特种电机及其控制正转逻辑正转逻辑87特种电机及其控制反反转转时时相相互互位位置置关关系系uhb=uhc=1uha=0BC导通导通uha=uhc=0uhb=1AC导通导通88特种电机及其控制反转逻辑反转逻辑89特种电机及其控制正、反转时开关管的导通逻辑关系正、反转时开关管的导通逻辑关系90特种电机及其控制1.8.5 1.8.5 控制系统的实现控制系统的实现控制器是无刷直流电动机的控制器是无刷直流电动

42、机的控制器是无刷直流电动机的控制器是无刷直流电动机的三大组成部分三大组成部分三大组成部分三大组成部分之一，它主之一，它主之一，它主之一，它主要包括开关主电路要包括开关主电路要包括开关主电路要包括开关主电路(即逆变器即逆变器即逆变器即逆变器)、驱动电路和控制电路。、驱动电路和控制电路。、驱动电路和控制电路。、驱动电路和控制电路。91特种电机及其控制1 1、开关主电路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，对于单相交流电源供电、电机采用三相电枢绕组时，对于单相交流电源供电、电机采用三相电枢绕组时，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典型的开关主电路通

43、常由典型的开关主电路通常由典型的开关主电路通常由整流电路整流电路整流电路整流电路、滤波电路滤波电路滤波电路滤波电路、缓冲缓冲缓冲缓冲电路电路电路电路和和和和逆变电路逆变电路逆变电路逆变电路构成构成构成构成92特种电机及其控制整流电路整流电路由变压器由变压器TR1和整流桥和整流桥BRl组成组成,将将交流电源转换为直流电源交流电源转换为直流电源滤波电路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

44、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：逆变电路：功率开关管T1T6、续流二极管D1D6功率开关管TlT6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IPM93特种电机及其控制2 2、驱动电路、驱动电路 驱动电路驱动电路将控制电路的输出信号进行功率放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。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些参数和

45、特性，从而影响着整个电机控制系统的正常工作。统的正常工作。开关管的种类不同，对驱动信号的要求也不开关管的种类不同，对驱动信号的要求也不同，因而对应的驱动电路也不同。同，因而对应的驱动电路也不同。94特种电机及其控制常见集成驱动电路常见集成驱动电路95特种电机及其控制3 3、控制电路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：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、对转子位置传感器输出的信号、PWM调制信号、正调制信号、正反转和停车反转和停车信号进行逻辑综合信号进行逻辑

46、综合,给驱动电路提供各开给驱动电路提供各开关管的斩波和选通信号关管的斩波和选通信号,实现电机的正反转及停车控实现电机的正反转及停车控制。制。2)产生产生PWM调制信号，使电机的电压随给定速度信号调制信号，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。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。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。实现短路、过流和欠压等故障保护功能等。96特种电机及其控制控制电路的形式控制电路的形式:1、分立元件全模拟电路、分立元件

47、全模拟电路经济型经济型2、专用集成控制电路、专用集成控制电路 规模化、专用规模化、专用3、数模混合控制电路、数模混合控制电路 半数字化半数字化(PID)4、全数字控制电路、全数字控制电路 高性能高性能(MCU DSP)97特种电机及其控制1-9 1-9 无刷直流电动机控制专用集成电路及其应用无刷直流电动机控制专用集成电路及其应用无刷直流电动机控制专用集成电路及其应用无刷直流电动机控制专用集成电路及其应用1.9.1 无刷直流电动机专用集成电路无刷直流电动机专用集成电路 部分无刷直流电动机专用集成电路部分无刷直流电动机专用集成电路部分无刷直流电动机专用集成电路部分无刷直流电动机专用集成电路 98特

48、种电机及其控制 部分无刷直流电动机专用集成电路部分无刷直流电动机专用集成电路部分无刷直流电动机专用集成电路部分无刷直流电动机专用集成电路 99特种电机及其控制1.9.2 无刷直流电动机控制器的无刷直流电动机控制器的(MC3303)应用应用MC33033 MC33033 引脚功能介绍引脚功能介绍引脚功能介绍引脚功能介绍 100特种电机及其控制具有具有PWM 开环速度控制、使能控制开环速度控制、使能控制(起动或停止起动或停止)、正反转控制和能耗制动控制等功能正反转控制和能耗制动控制等功能 在外围加少许元件，便可以实现软起动，调试及检在外围加少许元件，便可以实现软起动，调试及检测非常方便测非常方便

49、内部有锯齿波振荡器，频率可以根据需要进行设定内部有锯齿波振荡器，频率可以根据需要进行设定 具有过流保护、欠压保护、过热保护功能具有过流保护、欠压保护、过热保护功能 20脚塑封封装，内部带有温度补偿基准电源和转子脚塑封封装，内部带有温度补偿基准电源和转子位置传感器译码电路位置传感器译码电路 MC3303MC3303的主要特点如下的主要特点如下的主要特点如下的主要特点如下 101特种电机及其控制MC3303MC3303的典型应用电路的典型应用电路的典型应用电路的典型应用电路 102特种电机及其控制1.9.3 无位置传感器无位置传感器无刷直流电动机控制器无刷直流电动机控制器 ML4428的应用的应用

50、ML 4428ML 4428管脚功能介绍管脚功能介绍管脚功能介绍管脚功能介绍 103特种电机及其控制ML 4428ML 4428管脚功能介绍管脚功能介绍管脚功能介绍管脚功能介绍(续续续续)104特种电机及其控制片内含有片内含有PWM转速控制电路，根据参考值进行变转速控制电路，根据参考值进行变速控制。速度环由片内放大器控制，速度信号的检速控制。速度环由片内放大器控制，速度信号的检测通过监测测通过监测VCO(压控振荡器压控振荡器)的输出来完成的输出来完成 采用专门的起动技术，起动顺序为：检测位置、驱采用专门的起动技术，起动顺序为：检测位置、驱动、加速、设定速度；起动速度快，起动时无反转动、加速、设