无刷直流电动机PPT课件

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1、温故知新温故知新1、直流伺服电动机工作原理，换向器和电刷的作用？（P35）2、交流同步伺服电动机工作原理（P54）直流伺服电机 交流伺服电机第第7 7章章 无刷直流电动机无刷直流电动机 Brushless DC Motors (BLDCMs)47.1 无刷直流电动机系统7.1.1 概述及基本组成 无刷：克服传统直流电动机机械换向方式缺点无刷：克服传统直流电动机机械换向方式缺点优点：调速性能好，体积小质量轻，效率高，转优点：调速性能好，体积小质量轻，效率高，转动惯量小，无励磁损耗动惯量小，无励磁损耗应用领域：航空航天，机器人，数控机床等精密应用领域：航空航天，机器人，数控机床等精密传动领域传动领

2、域57.1 无刷直流电动机系统7.1.1 概述及基本组成 无刷直流电机构成框图6无刷直流电动机结构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 7表面式磁极 嵌入式磁极 环形磁极 内转子结构形式 8实际电机 结构示意图 外转子无刷直流电动机 92. 逆变器作用：控制电机定子各相绕组通电顺序和时间。作用：控制电机定子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）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112. 逆变器2) 桥式全控型c) 星形联结三相桥式主电路 122.

3、逆变器d) 三角形联结三相桥式主电路 2) 桥式全控型13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3. 位置传感器 位置传感器：实时检测转子位置153. 位置传感器 位置传感器有位置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164. 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 控制器控制器是无刷直

4、流电动机正常运行并实现各种调速伺服 功能的指挥中心 17逆变器、位置传感器与控制器 控制器控制器控制器控制器：无刷直流电动机正常运行并实现各种调：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速伺服功能的指挥中心 位置传感器位置传感器位置传感器位置传感器：实时检测转子位置：实时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18永磁无刷直流永磁无刷直流电机系统图电机系统

5、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，在电机气隙中产生跳跃式旋转磁场。7.1.2 基本工作原理 19工作原理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6

6、0O跳跃旋转自同步电机自同步电机20两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21无刷直流电动机回顾无刷直流电动机回顾1、系统组成及各部分作用、系统组成及各部分作用2、简述工作原理、简述工作原理227.2 无刷直流电动机的主电路及其工作方式 无无刷刷直直流流电电动动机机的的主主电电路路主主要要有有星星形形联联结结三三相相半半桥桥式式、星星形形联联结结三三相相桥桥式式和和角角形形联联结结三三相相桥式三种形式。桥式三种形式。7.2.1 星形连接三相半桥主电路 23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

7、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三相三状态。24三相三状态BLDCM 原理传感器：H1=1 H2=0 H3=1导通相：B25传感器：H1=1 H2=0 H3=0导通相：B26传感器：H1=1 H2=1 H3=0导通相：C27传感器：H1=0 H2=1 H3=0导通相：C28传感器：H1=0 H2=1 H3=1导通相：A29传感器：H1=0 H2=0 H3=1导通相：A30传感器：H1=1 H2=0 H3=1导通相：B317.2.2 星形连接三相桥式主电路 位置检测器的三个输出信号通

8、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：二二二二导导通通方式和三三导通方式方式和三三导通方式。321. 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、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。每一瞬间只有两个功率管导通33工作原理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

9、+-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34两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35三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 2. 三三导通方式 每一瞬间有三个功率管同时导通372. 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 387.3 无刷直流电动机的电枢反应电动机

10、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，电枢如图所示，电枢磁动势的直轴分磁动势的直轴分量量F Fadad对转子主磁对转子主磁极产生最大去磁极产生最大去磁作用作用 39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F Fadad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。 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4

11、0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。 417-4 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、电流波形方波电动机梯形波反电势与方波电流427.4.1 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

12、影响忽略不计；(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 43三相绕组的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44当三相绕组为Y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：45无刷直流电动机的等效电路如图所示 467.4.2 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 47设电枢绕组导体的有效长度为La，导体的线速度为v，则单根导

13、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 487.4.3 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 497.4.4 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。 50对于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组导通，故电机

14、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 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 51电机的转速为电机的转速为 空载转速为空载转速为 电动势系数为电动势系数为 转矩系数为转矩系数为 527-5 无刷直流电动机的运行特性7.5.1 机械特性机械特性曲线 堵转转矩堵转转矩为 53调节特性 7.5.2 调节特性调节特性的始动电压和斜率分别为547-6 无刷直流电动机转子位置信号的检测7.6.1 转子位置传感器磁敏式位置传感器 霍尔元件电磁式位置信感器 高频线圈光电式位置信感器 光耦合器件55置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场垂

15、直，则在垂直于电流和磁场的方向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，后被称为霍霍尔尔效效应应。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场合中使用。霍尔传感器主要有两大类，一类为开关型器开关型器件件，一类为线性霍尔器件。56Hall IC霍尔元件磁电转换Hall IC霍尔元件功能方框图57Hall IC Hall IC 安装方式安装方式第一种方式：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间隙处，安装着与电机轴同轴的永磁体。第二种方式：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

16、，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，将信号放大处理后便可驱动逆变器工作。58Hall IC Hall IC 安装示意图安装示意图1、三个霍尔元件在空间依次相差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59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

17、理后，即可控制逆变器开关管。60优点优点1 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：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。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是由装在电机转

18、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。 控制电机总结控制电机总结步进电机步进电机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大作业要求大作业要求题目：控制电机分析内容：1、概述 2、结构、工作原理 3、运行方式（控制方式） 4、应用举例页数要求：至少8页（A4）格式要求：1、封皮 2、目录 3、正文 4、参考

19、文献目录标题“目录”（三号、黑体、居中）章标题（四号、黑体、居左）节标题（小四、宋体）页码（小四、宋体）正文章标题（三号、黑体、居中）节标题（四号、黑体、居左）正文（小四号、宋体） 电枢电枢绕组绕组在磁场中转动在磁场中转动产生感应电势，经换向器变产生感应电势，经换向器变换后，输出与转速成正比的换后，输出与转速成正比的直流电压。直流电压。工作原理1 直流测速发电机直流测速发电机 直流测速发电机原理电路电压平衡方程式电压平衡方程式 1 直流测速发电机直流测速发电机直流测速发电机输出特性直流测速发电机输出特性 不同负载时的理想输出特性1 直流测速发电机直流测速发电机工作原理工作原理励磁绕组 输出绕组

20、 空心杯形转子感应测速发电机工作原理2 交流测速发电机交流测速发电机工作原理工作原理实质：他励电动机电枢绕组和励磁绕组，电枢电压Ua与励磁电压Uf彼此无关。3 直流伺服电动机直流伺服电动机控制方式控制方式电枢控制磁极控制3 直流伺服电动机直流伺服电动机定子：励磁绕组和控制绕组。定子：励磁绕组和控制绕组。结结构和工作原理构和工作原理4 交流伺服电动机交流伺服电动机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 相位控制相位控制4 交流伺服电动机交流伺服电动机 控制方式控制方式5 步进电动机步进电动机步进电动机步进电动机输入

21、：脉冲电信号输入：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：功率步进电动机，伺服步进电动机功率步进电动机，伺服步进电动机励磁方式：励磁方式：反应式反应式、永磁式永磁式、混合式混合式工作原理工作原理定子有八个极，构成四相；转子六个齿。定子有八个极，构成四相；转子六个齿。 （a）A相通电（b）C相通电（c）B相通电（d）D相通电经过经过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运行方式运行方式 四相八拍运行四相八拍运行 四相双四拍运行四相双四拍运行 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6 力矩式自整角机力矩式自整角机工作原理工作原理图 力矩式自整角机的原理图