无刷直流电动机运行原理

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1、2005/1/1,电动车-电气控制系统,江苏省中天电动车科技发展有限公司 技术研讨会 地点:苏州市和平实业有限公司,中天科技是您在电动车领域的真诚技术合作伙伴,2005/1/1,电动车-电气控制系统,内容: 电动车电气控制的主要任务及典型构架 电机的基本工作原理 控制器的主要任务/基本要求/及工作原理 无刷控制器和电机的匹配 电动车控制器的典型故障分析及排除方法 控制器性能的测量和性能评估 有刷系统和无刷系统的性能对比,2005/1/1,电动车电气控制的主要任务,电动车电气控制的主要任务,电动车电气控制的主要任务,动力控制、管理(电池/控制器/电机/调速装置) 照明/指示灯(转向灯/刹车灯)控

2、制、管理 仪表控制、管理,2005/1/1,系统图片,2005/1/1,Position signal/位置信号,Position signal/位置信号,2005/1/1,电机的种类及控制方法,Brushed DC motor/有刷电机,Hall sensor brushless DC motor/无刷电机 （带霍尔位置传感器）,Sensorless brushless DC motor/无刷电机 （无位置传感器）,AC induction motor (V/ f control)/交流电机,M,M,M,M,Stator: Winding Rotor: Magnet Brush and co

3、mmutator,Rotor: Magnet Stator: Winding Hall sensor,Rotor: Magnet Stator: Winding,Rotor: Winding Stator: Winding,功率驱动,控制电路,No position signal feedback/无位置信号反馈,2001/6/14,功率驱动,功率驱动,Sine wave,Rectangular wave,Rectangular wave,控制电路,控制电路,.,控制电路,功率驱动,有刷直流电机的工作原理1,电机转动的要素： 1、正交磁场 2、旋转磁场 3、换相机构（机械换相）,2005/1/

4、1,f,N,S,a,T,Ia,有刷直流电机的工作原理2,2005/1/1,Rotor (Armature) Windings,有刷直流电机的工作原理3,2005/1/1,2005/1/1,有刷直流电机的工作原理4,Commutator,N,S,N,S,(1),Brush,2001/5/25,有电刷和换向器，机械方式换相,无刷直流电机的工作原理1,电机转动的要素： 1、正交磁场 2、旋转磁场 3、换相机构（电子换相）,2005/1/1,无刷直流电机的工作原理2,2005/1/1,A,A,B,B,C,C,T,无刷直流电机的工作原理3,2005/1/1,无刷直流电机工作原理4,a,b,c,2005/

5、1/1,无 换 向 器 电 机 的 直 流 电 动 机 模 型,2005/1/1,无刷直流电机工作原理5,有转子位置检测，电子开关换相,2001/8/1,无刷电机的电气连接,2005/1/1,a,b,c,a,b,c,Y形连接,形连接,电动车控制器的主要任务/基本要求/工作原理,主要任务： 驱动电机(向电机提供动力) 控制电机的转速(调速) 提供辅助性功能： 速度信号/电量信号/过流信号巡航控制/指示/ 基本要求: 额定工作电压(24V/36V/48V) 过流控制(限流保护电机/电池/控制器) 限速控制(安全要求) 电池低电压保护(保护电池)_ 刹车断电(安全要求),2005/1/1,调速的基本

6、原理1,霍尔的基本工作原理,逻辑霍尔,线性霍尔,2005/1/1,调速的基本原理2,2005/1/1,调压调速模式,有刷控制器系统框图,霍尔转把,调速把手,供电电路,预驱动电路,电流采样,PWM生成/调制电路,功率输出电路,直流有刷电机,电池组,2005/1/1,有刷控制器典型应用图1,2005/1/1,1+1智能有刷控制器典型应用图2,2005/1/1,无刷控制器系统框图,霍尔转把,调速把手,供电电路,预驱动电路,电流采样,PWM生成/调制电路,三相桥电路,译码电路,三相直流无刷电机,位置信号反馈,电池组,2005/1/1,2005/1/1,转子位置检测1,V,U,W,* : Connect

7、ed inside the motor,150,330,PDV,PDU,PDW,: Hall sensor,V,*,*,*,W,U,PDU,PDV,PDW,30,90,210,270,PDV ,PDU ,PDW ,Hall sensor output,2001/8/20,Vdc Off Gnd,: Driving voltage of U, V, W,: Terminal voltage of U, V, W by Induced electromotive force,Position signal from U, V, W,2005/1/1,转子位置检测 2 - Sensorless BL

8、DC,Vdc,V,OFF,(1),(2),(3),U,W,Gnd,V,(1),(2),(3),*,* : Connected inside the motor,*,*,Vdc Off Gnd,0,180,360,W,N,S,U,Vdc,OFF,Gnd,*,*,*,N,S,Vdc,OFF,Gnd,*,*,*,N,S,120,240,60,300,: Driving voltage of U, V, W,2001/8/10,: Terminal voltage of U, V, W by Induced electromotive force,2005/1/1,无刷控制器的译码及驱动,无刷电机控制

9、器的译码及驱动 Hall sensor brushless DC motor/无刷电机 （带霍尔位置传感器） Sensorless brushless DC motor/无刷电机 （无位置传感器）,2000/11/21,U1, V1, W1, _U1, _V1, _W1,U, V, W,PDU, PDV, PDW,M,功率驱动,控制电路,DC,2005/1/1,无刷电机的译码/驱动时序图1（带位置传感器/120度相位）,2001/6/15,转子位置信号反馈,电机相线端电压,功率管驱动电压,电机霍尔输出电压,位置信号采样点,2005/1/1,无刷电机的译码/驱动时序图2（ 无位置传感器）,Pos

10、ition signal circuit,U1, V1, W1, _U1, _V1, _W1,DC,+ -,Ref. V,U, V, W,PDU, PDV, PDW,M,功率驱动,控制电路,Rx,Ry,2001/6/14,电机相线端电压,功率管驱动电压,电机反电动势输出电压,位置信号采样点,位置信号生成电路,无刷控制器典型应用图1,2005/1/1,General BLDC Motor Controller for Electronic Bicycle,1+1智能无刷控制器典型应用图2-1,2005/1/1,Intelligent BLDC Motor Controller for Elect

11、ronic Bicycle,1+1智能无刷控制器典型应用图2-2,2005/1/1,Intelligent BLDC Motor Controller for Electronic Bicycle,无刷控制器和无刷电机的匹配1,电机的电角度:-(60/300; 120/240) 相序的匹配,正向运行,逆向运行,Truth Table,2005/1/1,无刷控制器和无刷电机的匹配2,霍尔为60度相差的输入信号,霍尔为120度相差的输入信号,2005/1/1,无刷控制器和无刷电机的匹配3,三相上桥驱动信号,三相下桥驱动信号,三相电机的相电流波形,2005/1/1,控制器的主要技术指标/测量方法(测

12、量条件),电源适应性(V) 静态功耗(mA) 限流值(A) 电池低电压保护(欠压保护)(V) 接插件要求 外观要求 堵转保护(仅对无刷控制器而言)(S) 防水要求 1:1助力功能(速度传感器/力矩传感器) 防飞车功能 电机短路保护功能 辅助功能,2005/1/1,电机的输入输出特性曲线,2005/1/1,有刷系统和无刷系统的性能对比1,2005/1/1,有刷电机模型,直流无刷电机模型,交流电机模型,有刷系统和无刷系统的性能对比2,2005/1/1,直流无刷系统的特点: 有刷控制器电路简单/性能相对稳定/成本低/装配和维修方便 有刷电机的换向器、电刷的工作寿命相对较低；有刷电机使用时的维护工作量

13、及维护成本相对较高 有刷电机的工作效率较无刷电机略低 有刷电机的工作特性较无刷电机略软（影响起步和爬坡特性）,低速直流有刷系统的特点: 有刷控制器电路简单/性能相对稳定/成本低/装配和维修方便 低速有刷无齿电机的换向器、电刷的工作寿命相对较低；有刷电机使用时的维护工作量及维护成本相对较高 有刷电机的工作效率较无刷电机略低（影响续航里程） 有刷电机的工作特性较无刷电机略软（影响起步和爬坡特性） 有刷有齿高速电机基本上能解决工作特性软的问题，但是代价是成本上升、结构复杂、可靠性降低，对控制器的要求也较低速有刷电机的要高（特别是该类电机的变速机构因受成本、工艺和材料的制约，目前业内尚无理想的解决方案

14、）,有刷系统和无刷系统的性能对比3,2005/1/1,低速直流无刷系统的特点: 低速无刷无齿电机无换向器、电刷机构，工作寿命相对较高；使用时的维护工作量及维护成本相对较低 无刷电机的工作效率较有刷电机略高（额定工作电流小、续航里程长） 无刷电机的工作特性较有刷电机略硬（起步和爬坡特性好） 无刷控制器电路较有刷控制器复杂/成本高/对装配和维修人员要求高/故障率较有刷控制器高 无刷有齿高速电机能进一步降低额定工作电流、提高续航里程，但是代价是成本上升、结构复杂、可靠性降低，对控制器的要求也较低速无刷电机的要高（特别是该类电机的变速机构因受成本、工艺和材料的制约，目前业内尚无理想的解决方案）,有刷系统和无刷系统的性能对比4,2005/1/1,控制器常见故障的判断(整车维修),控制器能否正常接入系统 给控制器供电的电池是否正常(用万用表检测) 控制器是否功率管损坏(用万用表检测) 控制器向其它部件的供电电源是否正常(用万用表检测) 调速把手/刹把是否工作正常(用万用表检测) 电机霍尔信号是否正常(60/120度的判断方法)(用万用表检测) 1+1助力传感器是否工作正常(用万用表检测) ,2005/1/1,MOSFET的驱动波形图1,2005/1/1,MOSFET的驱动波形图2,2005/1