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1、特种电机及其控制,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,大连理工大学电气工程系,2,第1章 无刷直流电动机 及其控制系统 Permanent Magnet Brushless DC Motors (PM BLDCMs),特种电机及其控制,3,三相三状态BLDCM 原理,传感器：H1=1 H2=0 H3=1 导通相：B,特种电机及其控制,4,传感器：H1=1 H2=0 H3=0 导通相：B,特种电机及其控制,5,传感器：H1=1 H2=1 H3=0 导通相：C,特种电机及其控制,6,传感器：H1=0 H2=1 H3=0 导通相：C,特种电机及其控制,7,传感器：H1=0
2、 H2=1 H3=1 导通相：A,特种电机及其控制,8,传感器：H1=0 H2=0 H3=1 导通相：A,特种电机及其控制,9,传感器：H1=1 H2=0 H3=1 导通相：B,特种电机及其控制,10,1.1 无刷直流电动机系统,1.1.1 基本组成,无刷直流电机构成框图,特种电机及其控制,11,无刷直流电动机结构,(a) 结构示意图,(b) 定转子实际结构,1. 电动机本体,特种电机及其控制,12,表面式磁极,嵌入式磁极,环形磁极,内转子结构形式,特种电机及其控制,13,实际电机,结构示意图,外转子无刷直流电动机,特种电机及其控制,14,2. 逆变器,b) 四相半桥主电路,a) 三相半桥主电
3、路,1) 非桥式（半桥式）半控型,特种电机及其控制,15,2. 逆变器,2) 桥式全控型,特种电机及其控制,16,2. 逆变器,d) 三角形联结三相桥式主电路,2) 桥式全控型,特种电机及其控制,17,2. 逆变器,2) 桥式全控型,e)正交两相全控型主电路,特种电机及其控制,18,2. 逆变器,2) 桥式全控型,f) 封闭形联结四相桥式主电路,特种电机及其控制,19,主电路选择原则,绕组利用率：三相绕组优于四相、五相绕组,转矩脉动：相数越多，转矩脉动越小,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,特种电机及其控制,20,3. 位置检测器,位置检测器,有位置传感器检测,
4、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,特种电机及其控制,21,4. 控制器,控制器,模拟控制系统,数字控制系统,分立元件加少量集成电路构成的模拟控制系统,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,特种电机及其控制,22,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
5、隙中产生跳跃式旋转磁场。,1.1.2 基本工作原理,特种电机及其控制,23,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,特种电机及其控制,24,两相导通星形三相六状态时绕组和开关管导通顺序表,特种电机及其控制,25,1.1.3 无刷直流电动机与永磁同
6、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。,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。,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3、调速比大于1:10000的水平，因而越来越多地受到人们的青睐。,特种电机及其控制,26,(a) 无刷直流电动机,(b) 永磁同步电动机,特种电机及其控制,27,1.2 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主要有星形联结三相半桥式、星形联结三相桥式和角形联结三相桥式三种形式。,1.2.1 星形连
7、接三相半桥主电路,特种电机及其控制,28,在三相半桥主电路中，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叫做单相导通星形三相三状态。,特种电机及其控制,29,1.2.2 星形连接三相桥式主电路,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。,特种电机及其控制,30,1. 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 Ea、Eb、EcA、B、C三相绕组的反电动势； ia
8、、ib、icA、B、C三相绕组的电流； 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。,特种电机及其控制,31,三相绕组的反电动势波形及其二二导通方式下的导通规律,特种电机及其控制,32,2. 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,特种电机及其控制,33,1.2.3 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MOSFET。与星形联结一样，角形联结的控制方式也有二二导通和三三导通两种。,特种电机及其控制,34,1. 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
9、式的导通规律,特种电机及其控制,35,2. 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,特种电机及其控制,36,1.3 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枢反应。,电枢绕组的合成磁动势变化如下图所示,如图所示，电枢磁动势的直轴分量Fad对转子主磁极产生最大去磁作用,特种电机及其控制,37,如图所示，电枢磁动势的直轴分量Fad对转子主磁极产生最大增磁作用。,可见，在一个磁状态范围内，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磁状态时既不去磁也不增磁；在后半个磁状态内增磁逐渐增大，最后达到最大值。增磁和去磁磁
10、动势的大小等于电枢合成磁动势Fa在转子磁极轴线上的投影，其最大值为,特种电机及其控制,38,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。,特种电机及其控制,39,1-4 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,特种电机及其控制,40,1.4.1 无刷直流电动机的数学模型,假设,(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) 定子齿槽的影响忽略不计； (
11、3) 电枢反应对气隙磁通的影响忽略不计； (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,特种电机及其控制,41,三相绕组的电压平衡方程为,特种电机及其控制,42,当三相绕组为Y连接，且没有中线，则： ia+ib+ic=0 Mia+Mib=-Mic Mib+Mic=-Mia Mia+Mic=-Mib,所以得电压方程：,特种电机及其控制,43,无刷直流电动机的等效电路如图所示,特种电机及其控制,44,1.4.2 无刷直流电动机的反电动势,无刷直流电动机气隙磁密及反电动势波形如下图所示,特种电机及其控制,45,设电枢绕组导体的有效长度为L
12、a，导体的线速度为v，则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W，则每相绕组的感应电动势幅值为,特种电机及其控制,46,1.4.3 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,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,特种电机及其控制,47,1.4.4 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，即电机的反电动势。,
13、特种电机及其控制,48,对于三相六状态无刷直流电动机，任一时刻都有两相绕组导通，故电机的反电动势为,式中 Ce 电机的电动势常数，,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转子磁场相互作用产生，则,特种电机及其控制,49,电机的转速为,空载转速为,电动势系数为,转矩系数为,特种电机及其控制,50,1-5 无刷直流电动机的运行特性,1.5.1 机械特性,机械特性曲线,堵转转矩为,特种电机及其控制,51,调节特性,1.5.2 调节特性,调节特性的始动电压和斜率分别为,特种电机及其控制,52,1.5.3 工作特性,工作特性,120W样机效率特性,特种电机及其控制,53,1.
14、6 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,转矩脉动定义为,转矩脉动的主要原因,电磁因素引起的转矩脉动 换相引起的转矩脉动 ； 定子齿槽引起的转矩脉动； 电枢反应的影响 ； 机械工艺引起的转矩脉动,特种电机及其控制,54,1.6.2 换相与转矩脉动,1.换相过程中的相电流和转矩,换相过程中电路方程为,由于,又,得,特种电机及其控制,55,整理，得,换向过程中各相电流变化公式：,特种电机及其控制,56,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 ，得,特种电机及其控制,57,2.电机转速对换相的影响(三种情况),1）ia与ib变化率相
15、等，即ia降为0的同时, ib达到稳态值I,令ia(tf)=0，可得换相时间为,令ib(tf)=I，可得换相时间为,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,特种电机及其控制,58,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,特种电机及其控制,59,换相电流变化曲线,2）ia降为零时，ib还未达到稳态值I,此时,所以情况2发生的条件：U4E,令ia(tf)0，得ia降为零的时间tf,特种电机及其控制,60,3）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： U4E,特种电机及其控制,61,3
16、. 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ic0，则有:,换向期间电磁转矩与非换向相绕组中的电流成正比,特种电机及其控制,62,对于情形1：U4E,T保持恒定 对于情形2： U4E,T增加,在非换相时，即每个导通状态内，电机的电磁转矩为,当U4E时：,换向转矩脉动为：,特种电机及其控制,63,当U4E时：,换向转矩脉动为:,结 论 1、换相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，E0, Tr50； 3、当转速很高时，U2E ,Tr=-50； 4、当转速满足时，U4E , Tr=0。,特种电机及其控制,64,1-7 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,磁敏式位置传感器 霍尔元件 电磁
