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1、电力电子与电机系统控制研究所7.1.1 7.1.1 稀土永磁无刷直流电动机稀土永磁无刷直流电动机电力电子与电机系统控制研究所优点优点l结构简单l性能优良l运行可靠l维护方便电力电子与电机系统控制研究所运用场合运用场合l自动化伺服与驱动l家用电器l计算机外设l汽车电器l电动车辆驱动电力电子与电机系统控制研究所一、基本组成一、基本组成l 稀土永磁无刷直流电动机的基本构成包括电动机本体、控制器和转子位置传感器三部分，如图31所示：电力电子与电机系统控制研究所图51 永磁无刷直流电机的组成电力电子与电机系统控制研究所永永 磁磁 无无 刷刷 直直 流流 电电 机机 本本 体体l定 子 多 为 三 相 结
2、构，绕组为分布式或集中式，Y接。l永磁转子多用钕铁硼等稀土永磁材料，瓦片型永磁体直接粘贴在转子铁心上，故其气隙磁场在空间呈矩形分布。（见图52）图52 四极永磁无刷直流电机本体电力电子与电机系统控制研究所控制器控制器( (功率电子开关功率电子开关) )l用于给电机定子各相绕组在一定的时刻通以一定时间长短的恒定直流电流，以便与转子永磁磁场相互作用产生持续不断的恒定转矩。l一般采用 GTR、MOSFET，较大容量电机采用 IGBT或IPM模块。l功率电子开关可以是半桥式，但多为三相桥式结构，与三相直交逆变器结构十分相似，但各桥臂元件一般只在一个输出频率周期内开、关一次，惟有三相下桥臂元件(VT4,
3、VT6,VT2)在开通时间内还要进行PWM调制,以实现电机的调压调速。电力电子与电机系统控制研究所转子位置传感器转子位置传感器1.电磁式位置传感器 利用电磁效应来实现位置测量的传感元件，有开口 变压器、铁磁谐振电路、接近开关等多种形式,其 中开口变压器使用较多，其原理已在32中作过 介绍。电力电子与电机系统控制研究所2. 磁敏式位置传感器磁敏式位置传感器l磁敏传感器利用电流的磁效应进行工作，所组成的位置检测器由与电机同轴安装、具有与电机转子同极数的永磁检测转子和多只空间均布的磁敏元件构成。l目前常用的磁敏元件为霍尔元件或霍尔集成电路，它们在磁场作用下会产生霍尔电势，经整形、放大后即可输出所需电
4、平信号，构成了原始的位置信号。l图 53为霍尔集成电路及其开关型输出特性。l图 54给出了一台四极电机的霍尔位置检测器完整结构。电力电子与电机系统控制研究所图53 霍尔传感器电力电子与电机系统控制研究所图54四极电机用霍尔位置检测器电力电子与电机系统控制研究所3. 光电式位置传感器光电式位置传感器l利用与电机转子同轴安装、带缺口旋转园盘对光电元件进行通、断控制，以产生一系列反映转子空间位置脉冲信号的检测方式。l简单光电元件的结构如图55所示，由红外发光二极管和光敏三极管构成。图55 光电式位置传感元件结构电力电子与电机系统控制研究所4. 其它的位置传感器其它的位置传感器l除了以上三种位置传感器
5、外，还有正、余弦旋转变压器和光电编码器等其他位置传感元件，但成本高、体积大、线路复杂，较少采用。l由于位置检测器有机械安装、维护及运行可靠性等问题，近期来出现了无位置检测器的运行控制方式。它利用电机定子绕组反电势作为转子磁极的位置信号。电力电子与电机系统控制研究所 工作原理以图3-2、33来说明。图3-2中VF为逆变器REPMM为稀土永磁电动机本体，PS为与电动机本体同轴相联的转子位置传感器，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，从而控制电动机各项绕组按一定顺序工作，在电机气隙中产生跳跃式旋转磁场。二、工作原理二、工作原
6、理电力电子与电机系统控制研究所l以二相导通星形三相六状态无刷直流电动机为例来说明其工作原理。当转子稀土永磁体位于3-3(a)所示位置时，转子位置传感器输出磁极位置信号，经过控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使功率开关管V1、V6导通，及绕组A、B通电，A进B出，电枢绕组在空间的合成磁势Fa，如图3-3(a)所示，此时定转子磁场相互作用拖动转子顺时钟转动。电力电子与电机系统控制研究所电力电子与电机系统控制研究所电流流通路径为：电源正极-V1管-A相绕组-B相绕组-V6管-电源负极。 依次类推,当转子继续沿顺时钟每转过60度电角度时，功率开关的导通逻辑为：V3V2-V3V4V5V4-V5V6-V1V6
7、-V2V1图3-3(b)为转子转过60度时转子位置，则转子磁场始终受到定子合成磁场的作用并沿顺时针方向连续转动。电力电子与电机系统控制研究所稀土永磁方波电动机基本公式稀土永磁方波电动机基本公式 电枢绕组感应电动势e = LV (V )式中 气隙磁感应强度 L 导体的有效长度 V 导体相对于磁场的线速度：V= 电枢电流 电磁转矩 其中 为转矩常数 电力电子与电机系统控制研究所 转速 电势系数与转矩系数 电势系数为： 转矩系数为：电力电子与电机系统控制研究所三、运行特性三、运行特性电枢反应的特点：电机负载时的电枢磁场对主磁场的影响称为电枢反应。电枢反应与磁路的饱和程度、转向、电枢绕组联接方式、导通
8、顺序和磁状态角的大小有关。两相导通星形三相六状态的电枢反应形成两相绕组的合成磁势如图311所示。电力电子与电机系统控制研究所电力电子与电机系统控制研究所正反转实现正反转实现 通常采用改变逆变器开关管的逻辑关系，使电枢绕组各相导通顺序变化来实现电机的正反转。为了使电机正反转均能产生最大平均电磁转矩并保证对称运行，必须精确设计转子位置传感器与转子主磁极和定子各相绕组的相互位置关系，以及正确的逻辑关系，旋转一周内电机正反转对应各相绕组导通顺序与三个霍尔器件输出信号的逻辑关系如表34所示。电力电子与电机系统控制研究所电力电子与电机系统控制研究所 位置传感器采用三个霍尔元件沿圆周均匀分布粘贴于电机端盖上
9、，彼此相差120电角度，并分别与定子三相绕组首端所在槽中心线对齐，传感器相互位置如图312所示:电力电子与电机系统控制研究所电力电子与电机系统控制研究所假设：忽略气隙磁场谐波，认为气隙磁密沿气隙圆周作正弦分布，即 (5-1) 式中 BM 气隙磁密基波幅值 沿气隙圆周度量的空间角度忽略电枢反应对气隙磁场的影响，由于永磁体导磁率低，这对面贴式转子结构特别合适；各相绕组结构对称，主电路各单元完全一致。电力电子与电机系统控制研究所转矩特性转矩特性l分析表明，当转子磁极轴线从某相电枢绕组轴线转过 30度的位置时导通该相绕组，由于自此位置开始的 1/3周期内气隙磁密最大，所产生的平均转矩将最大，转矩脉动会
10、最小，如图 5-13所示。l习惯上将此时刻选作该相功率开关开始导通的基准时刻，定义为换流超前角电力电子与电机系统控制研究所l在 条件下导通时，三相半桥式永磁无刷直流电机的电磁转矩波形如图 5-13所示，转矩在 TM到TM/2之间波动，其平均转矩为 (5-2)式中：N 各相绕组有效导体数 L 绕组导体总有效长度 电机气隙平均半径 I 绕组电流幅值电力电子与电机系统控制研究所图5-13 三相半桥式永磁无刷直流电机转矩曲线电力电子与电机系统控制研究所反电势特性反电势特性l在电磁转矩作用下电机旋转，转子永磁磁场切割定子绕组感生反电势。当电机转速 ，恒定时，反电势波形正弦，与转矩波形同相位，如图 5-1
11、4所示。同理可求得反电势平均值 (5-4) (5-5)电力电子与电机系统控制研究所图5-14 三相半桥式永磁无刷直流电机各相反电势波形电力电子与电机系统控制研究所机械特性机械特性机械特性 特性曲线如图315 电力电子与电机系统控制研究所调节特性：特性曲线如图317调节特性调节特性电力电子与电机系统控制研究所 电枢电流与输出转矩的关系、电机效率和输出转矩的关系如图318所示： 工作特性工作特性电力电子与电机系统控制研究所7.1.27.1.2永磁无刷直流电动机的控制永磁无刷直流电动机的控制电力电子与电机系统控制研究所l永磁无刷直流电动机具有有刷直流电动机那样优良的调速性能，却没有电刷和换向器，这主
12、要是它用转子位置检测器替代了电刷，用电子换向电路(逆变器)替代了机械式换向器之故。因此永磁无刷直流电机的电子控制系统是这种电机不可缺少的必要组成部分，否则不能运行，这是有别于其他调速电机之处。电力电子与电机系统控制研究所一、稀土永磁无刷直流电动机控制器一、稀土永磁无刷直流电动机控制器 开关主电路开关主电路 控制器包括开关主电路、驱动电路和控制电路典型的开关主电路有整流电路、滤波电路、缓冲电路和逆变电路构成原理图如3-34:电力电子与电机系统控制研究所 整流电路由变压器TR1和整流桥BR1组成，将交流电源转换为直流电源。滤波电路由大电容C2实现，直流电源的低通滤波，形成低内阻硬特性的直流电源，并
13、与绕组感性负载交换无功功率。由R3、C3、D7组成的RDC缓冲电路可以减少开关管承受的尖峰电压，提高主电路的可靠性，是开关管工作在安全区域。 逆变电路由功率开关管T1T6等组成，是开关主电路的核心。说说 明明电力电子与电机系统控制研究所二、稀土永磁无刷直流电动机控制器二、稀土永磁无刷直流电动机控制器 驱动电路驱动电路l驱动电路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靠关断的驱动信号。现在驱动电路一般制成专用集成电路。图3-35为一台精密医疗仪器用的稀土永磁无刷直流电动机驱动电路原理图。电力电子与电机系统控制研究所电力电子与电机系统控制研究所三、稀土永磁无刷直流电动机
14、控制器三、稀土永磁无刷直流电动机控制器 控制电路控制电路 控制电路是电机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，主要功能： 对转子位置传感器输出的信号、PWM调制信号、正反转信号和停车信号进行逻辑综合，以给驱动电路提供各开关管的斩波信号和选通信号。产生PWM调制信号，使电机按给定速度信号变化而实现电机开环调速。对电动机进行速度、电流闭环调节，使系统具有良好的动静态性能。实现短路、过流和欠压等故障保护功能。 控制电路现在也一般由专用集成控制电路组成，图3-36为8098单片机为核心的数字式控制电路原理图。电力电子与电机系统控制研究所电力电子与电机系统控制研究所四、稀土永磁无刷直流电动机控制器四、稀土永磁无刷直流电动机控制器 实例实例 如图3-37所示为一航空用高性能稀土永磁无刷直流电动机控制器原理图再再 见见! !
