第3章無刷永磁伺服電動機(jī)PPT課件

1、第第3章章 無刷永磁伺服電動機(jī)無刷永磁伺服電動機(jī)3.1 概述概述3.2 無刷直流電動機(jī)無刷直流電動機(jī)3.3 正弦波永磁同步電動機(jī)及其矢量控制伺服正弦波永磁同步電動機(jī)及其矢量控制伺服驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)3.4 無刷永磁伺服電動機(jī)與三相感應(yīng)伺服電動無刷永磁伺服電動機(jī)與三相感應(yīng)伺服電動機(jī)的比較機(jī)的比較3.1 概述概述3.1.1 無刷永磁伺服電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)無刷永磁伺服電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)3.1.2 無刷永磁電動機(jī)伺服系統(tǒng)的組成無刷永磁電動機(jī)伺服系統(tǒng)的組成3.1.3 無刷永磁伺服電動機(jī)的分類無刷永磁伺服電動機(jī)的分類3.1.1 無刷永磁伺服電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)無刷永磁伺服電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 無刷永磁伺服電動機(jī)無刷永磁

2、伺服電動機(jī)也稱為也稱為交流永磁伺服電動機(jī)交流永磁伺服電動機(jī)，通常是，通常是指由永磁電動機(jī)和相應(yīng)驅(qū)動、控制系統(tǒng)組成的指由永磁電動機(jī)和相應(yīng)驅(qū)動、控制系統(tǒng)組成的無刷永磁電動無刷永磁電動機(jī)伺服系統(tǒng)，機(jī)伺服系統(tǒng)，有時(shí)也僅指永磁電動機(jī)本體。有時(shí)也僅指永磁電動機(jī)本體。 無刷永磁伺服電動機(jī)就無刷永磁伺服電動機(jī)就電動機(jī)本體而言是一種采用永磁體電動機(jī)本體而言是一種采用永磁體勵磁的多相同步電動機(jī)，定子結(jié)構(gòu)與普通同步電動機(jī)或感應(yīng)勵磁的多相同步電動機(jī)，定子結(jié)構(gòu)與普通同步電動機(jī)或感應(yīng)電動機(jī)基本相同，轉(zhuǎn)子方面則由永磁體取代了電勵磁同步電電動機(jī)基本相同，轉(zhuǎn)子方面則由永磁體取代了電勵磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子勵磁繞組動機(jī)的轉(zhuǎn)子勵磁繞組

3、 。 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的三種基本形式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的三種基本形式 ： 按照永磁體在轉(zhuǎn)子上位置的不同，無刷永磁伺服電動機(jī)的按照永磁體在轉(zhuǎn)子上位置的不同，無刷永磁伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)一般可分為轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)一般可分為表面式（凸裝式）表面式（凸裝式）、嵌入式嵌入式和和內(nèi)置式內(nèi)置式三三種基本形式。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是無刷永磁伺服電動機(jī)與其它電機(jī)最種基本形式。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是無刷永磁伺服電動機(jī)與其它電機(jī)最主要的區(qū)別，對其運(yùn)行性能、控制系統(tǒng)、制造工藝和適用場主要的區(qū)別，對其運(yùn)行性能、控制系統(tǒng)、制造工藝和適用場合等均具有重要影響。合等均具有重要影響。 3.1.1 無刷永磁伺服電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)無刷永磁伺服電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 表面式轉(zhuǎn)子：表面式轉(zhuǎn)子

4、：典型結(jié)構(gòu)如圖典型結(jié)構(gòu)如圖3-1a）所示，永磁體通常呈）所示，永磁體通常呈瓦片形，通過環(huán)氧樹脂直接粘貼在轉(zhuǎn)子鐵心表面上。瓦片形，通過環(huán)氧樹脂直接粘貼在轉(zhuǎn)子鐵心表面上。 在體積和功率較小的無刷永磁伺服電動機(jī)中，也可以采在體積和功率較小的無刷永磁伺服電動機(jī)中，也可以采用圓環(huán)形永磁體，如圖用圓環(huán)形永磁體，如圖3-1b）所示，永磁體為一整體的圓）所示，永磁體為一整體的圓環(huán)，該結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子制造工藝性較好，漏磁小。環(huán)，該結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子制造工藝性較好，漏磁小。 圖圖3-1 表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) b）永磁體為圓環(huán)形）永磁體為圓環(huán)形 a）永磁體為瓦片形）永磁體為瓦片形 3.1.1 無刷永磁伺服電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

5、無刷永磁伺服電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 嵌入式轉(zhuǎn)子：嵌入式轉(zhuǎn)子：結(jié)構(gòu)如圖結(jié)構(gòu)如圖3-2所示，永磁體嵌裝所示，永磁體嵌裝在轉(zhuǎn)子鐵心表面的槽中。在轉(zhuǎn)子鐵心表面的槽中。圖圖3-2 嵌入式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)嵌入式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 對于高速運(yùn)行的伺服電動機(jī)，對于高速運(yùn)行的伺服電動機(jī)，采用表面式或嵌入式時(shí)，為了采用表面式或嵌入式時(shí)，為了防止離心力的破壞，常需在其防止離心力的破壞，常需在其外表面再套一非磁性金屬套筒外表面再套一非磁性金屬套筒或包以無緯玻璃絲帶作為保護(hù)或包以無緯玻璃絲帶作為保護(hù)層。層。3.1.1 無刷永磁伺服電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)無刷永磁伺服電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 內(nèi)置式轉(zhuǎn)子：內(nèi)置式轉(zhuǎn)子：永磁體不是裝在轉(zhuǎn)子表面上，而是位于轉(zhuǎn)永磁體不

6、是裝在轉(zhuǎn)子表面上，而是位于轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部，可能的幾何形狀有多種，圖子鐵心內(nèi)部，可能的幾何形狀有多種，圖3-3給出了兩種典給出了兩種典型結(jié)構(gòu)。圖型結(jié)構(gòu)。圖3-3a）所示轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中永磁體為）所示轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中永磁體為徑向充磁徑向充磁，在，在圖圖3-3b）所示轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中永磁體為）所示轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中永磁體為橫向充磁（切向充磁）橫向充磁（切向充磁）。 a）永磁體徑向充磁）永磁體徑向充磁 b）永磁體橫向充磁）永磁體橫向充磁 圖圖3-3 內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 相鄰的永相鄰的永磁體串聯(lián)磁體串聯(lián)相鄰的永相鄰的永磁體并聯(lián)磁體并聯(lián)3.1.1 無刷永磁伺服電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)無刷永磁伺服電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 當(dāng)電動機(jī)極數(shù)較多時(shí)

7、，徑向充磁結(jié)構(gòu)受到永磁體供磁面當(dāng)電動機(jī)極數(shù)較多時(shí)，徑向充磁結(jié)構(gòu)受到永磁體供磁面積的限制，不能提供足夠的每極磁通，而橫向充磁結(jié)構(gòu)由積的限制，不能提供足夠的每極磁通，而橫向充磁結(jié)構(gòu)由于相鄰磁極表面極性相同，每個(gè)極距下的磁通由相鄰兩個(gè)于相鄰磁極表面極性相同，每個(gè)極距下的磁通由相鄰兩個(gè)磁極并聯(lián)提供，可得到更大的每極磁通。橫向充磁結(jié)構(gòu)的磁極并聯(lián)提供，可得到更大的每極磁通。橫向充磁結(jié)構(gòu)的不足之處是漏磁系數(shù)較大，且轉(zhuǎn)軸上需采取適當(dāng)?shù)母舸糯氩蛔阒幨锹┐畔禂?shù)較大，且轉(zhuǎn)軸上需采取適當(dāng)?shù)母舸糯胧?，如采用非磁性轉(zhuǎn)軸或在轉(zhuǎn)軸上加非磁性隔磁襯套，使施，如采用非磁性轉(zhuǎn)軸或在轉(zhuǎn)軸上加非磁性隔磁襯套，使制造成本增加，制造工藝

8、變得復(fù)雜。制造成本增加，制造工藝變得復(fù)雜。 三種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的比較三種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的比較 表面式的特點(diǎn)：表面式的特點(diǎn)：表面式結(jié)構(gòu)的表面式結(jié)構(gòu)的電機(jī)交、直軸電感相等，電機(jī)交、直軸電感相等，是一種隱極式同步電動機(jī)是一種隱極式同步電動機(jī)；由于；由于有效氣隙較大，繞組電感有效氣隙較大，繞組電感低，有利于改善電機(jī)的動態(tài)性能低，有利于改善電機(jī)的動態(tài)性能；可使轉(zhuǎn)子做的直徑小，；可使轉(zhuǎn)子做的直徑小，慣量低。因此許多無刷永磁伺服電動機(jī)都采用這種結(jié)構(gòu)。慣量低。因此許多無刷永磁伺服電動機(jī)都采用這種結(jié)構(gòu)。 3.1.1 無刷永磁伺服電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)無刷永磁伺服電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 嵌入式和內(nèi)置式的特點(diǎn)：交、直軸磁路磁阻是不相等的嵌

9、入式和內(nèi)置式的特點(diǎn)：交、直軸磁路磁阻是不相等的。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子的交、直軸磁路如圖內(nèi)置式轉(zhuǎn)子的交、直軸磁路如圖3-4所示。直軸磁路磁阻大所示。直軸磁路磁阻大于交軸磁路磁阻，因此內(nèi)置式和嵌入式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的無刷永于交軸磁路磁阻，因此內(nèi)置式和嵌入式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的無刷永磁伺服電動機(jī)磁伺服電動機(jī)屬于凸極同步電動機(jī)屬于凸極同步電動機(jī)。 a）直軸磁通路徑）直軸磁通路徑 b）交軸磁通路徑）交軸磁通路徑 圖圖3-4 內(nèi)置式無刷永磁伺服電動內(nèi)置式無刷永磁伺服電動機(jī)的交、直軸磁路機(jī)的交、直軸磁路 注意：注意：電勵磁凸極同步電勵磁凸極同步電動機(jī)中直軸磁路磁阻小電動機(jī)中直軸磁路磁阻小于交軸磁路，因此直軸同于交軸磁路，因此直軸同步電

10、抗步電抗Xd（電感（電感Ld）大于）大于交軸同步電抗交軸同步電抗Xq（電感（電感Lq），而永磁同步電動機(jī)），而永磁同步電動機(jī)中正好相反，其交、直軸中正好相反，其交、直軸繞組電感的關(guān)系是繞組電感的關(guān)系是Lq Ld。 3.1.2 無刷永磁電動機(jī)伺服系統(tǒng)的組成無刷永磁電動機(jī)伺服系統(tǒng)的組成無刷永磁伺服電動機(jī)通常由變頻電源供電無刷永磁伺服電動機(jī)通常由變頻電源供電 由恒頻電源供電的永磁同步電動機(jī)僅適用于在要求恒速由恒頻電源供電的永磁同步電動機(jī)僅適用于在要求恒速運(yùn)轉(zhuǎn)的場合作為驅(qū)動電機(jī)使用。為了解決電動機(jī)的起動問運(yùn)轉(zhuǎn)的場合作為驅(qū)動電機(jī)使用。為了解決電動機(jī)的起動問題，其轉(zhuǎn)子上需裝設(shè)籠型起動繞組（阻尼繞組），利用

11、籠題，其轉(zhuǎn)子上需裝設(shè)籠型起動繞組（阻尼繞組），利用籠型繞組感應(yīng)產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩將電動機(jī)加速到接近同步速，型繞組感應(yīng)產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩將電動機(jī)加速到接近同步速，然后由永磁體產(chǎn)生的同步轉(zhuǎn)矩將轉(zhuǎn)子牽入同步。然后由永磁體產(chǎn)生的同步轉(zhuǎn)矩將轉(zhuǎn)子牽入同步。 對于伺服電動機(jī)而言，一個(gè)基本要求是其轉(zhuǎn)速能在寬廣對于伺服電動機(jī)而言，一個(gè)基本要求是其轉(zhuǎn)速能在寬廣的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，因此無刷永磁伺服電動機(jī)通常由變頻的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，因此無刷永磁伺服電動機(jī)通常由變頻電源供電，采用變頻調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。變頻電源供電源供電，采用變頻調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。變頻電源供電的永磁同步伺服電動機(jī)，由于供電電源頻率可以由低頻電的永磁同步伺服

12、電動機(jī)，由于供電電源頻率可以由低頻逐漸升高，可以直接利用同步轉(zhuǎn)矩使電動機(jī)起動，故轉(zhuǎn)子逐漸升高，可以直接利用同步轉(zhuǎn)矩使電動機(jī)起動，故轉(zhuǎn)子上一般不設(shè)阻尼繞組。上一般不設(shè)阻尼繞組。3.1.2 無刷永磁電動機(jī)伺服系統(tǒng)的組成無刷永磁電動機(jī)伺服系統(tǒng)的組成同步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本類型同步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本類型 根據(jù)變頻電源頻率控制方式的不同，同步電動機(jī)變頻調(diào)根據(jù)變頻電源頻率控制方式的不同，同步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)可以分為速系統(tǒng)可以分為他控變頻他控變頻和和自控變頻自控變頻兩大類。兩大類。 他控變頻：他控變頻：用獨(dú)立的變頻裝置給同步電動機(jī)供電，通過用獨(dú)立的變頻裝置給同步電動機(jī)供電，通過直接改變變頻裝置的

13、輸出頻率調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，是一種直接改變變頻裝置的輸出頻率調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，是一種頻率開環(huán)控制方式。頻率開環(huán)控制方式。 自控變頻：自控變頻：所用的變頻電源是非獨(dú)立的，變頻裝置輸出所用的變頻電源是非獨(dú)立的，變頻裝置輸出電流（電壓）的頻率和相位受反映轉(zhuǎn)子磁極空間位置的轉(zhuǎn)電流（電壓）的頻率和相位受反映轉(zhuǎn)子磁極空間位置的轉(zhuǎn)子位置信號控制，是一種定子繞組供電電源的頻率和相位子位置信號控制，是一種定子繞組供電電源的頻率和相位自動跟蹤轉(zhuǎn)子磁極空間位置的閉環(huán)控制方式。由于電動機(jī)自動跟蹤轉(zhuǎn)子磁極空間位置的閉環(huán)控制方式。由于電動機(jī)輸入電流的頻率始終和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速保持同步，采用自控變輸入電流的頻率始終和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速保持

14、同步，采用自控變頻方式的同步電動機(jī)不會產(chǎn)生振蕩和失步現(xiàn)象，故也稱為頻方式的同步電動機(jī)不會產(chǎn)生振蕩和失步現(xiàn)象，故也稱為自同步電動機(jī)系統(tǒng)自同步電動機(jī)系統(tǒng)。3.1.2 無刷永磁電動機(jī)伺服系統(tǒng)的組成無刷永磁電動機(jī)伺服系統(tǒng)的組成無刷永磁電動機(jī)伺服系統(tǒng)的組成無刷永磁電動機(jī)伺服系統(tǒng)的組成 由于他控變頻的同步電動機(jī)存在振蕩和失步等問題，因由于他控變頻的同步電動機(jī)存在振蕩和失步等問題，因此無刷永磁伺服電動機(jī)通常采用自控變頻方式，所構(gòu)成的此無刷永磁伺服電動機(jī)通常采用自控變頻方式，所構(gòu)成的無刷永磁電動機(jī)伺服系統(tǒng)如圖無刷永磁電動機(jī)伺服系統(tǒng)如圖3-5所示。所示。 圖圖3-5 無刷永磁電動機(jī)伺服系統(tǒng)的組成無刷永磁電動機(jī)伺

15、服系統(tǒng)的組成 組成：組成：主要由主要由永磁永磁同步電動機(jī)同步電動機(jī)MS、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子位置檢測器位置檢測器BQ、逆變逆變器器和和控制器控制器4個(gè)部分組個(gè)部分組成。成。3.1.2 無刷永磁電動機(jī)伺服系統(tǒng)的組成無刷永磁電動機(jī)伺服系統(tǒng)的組成 基本工作原理：基本工作原理： 由轉(zhuǎn)子位置檢測器產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁極的空間由轉(zhuǎn)子位置檢測器產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁極的空間位置信號，并將其提供給控制器；控制器根據(jù)來自外部位置信號，并將其提供給控制器；控制器根據(jù)來自外部（如上位機(jī)等）的控制信號和來自位置檢測器的轉(zhuǎn)子位置（如上位機(jī)等）的控制信號和來自位置檢測器的轉(zhuǎn)子位置信號，產(chǎn)生逆變器中各功率開關(guān)器件的通斷信號；由逆變信號，產(chǎn)生逆變器中各功率開

16、關(guān)器件的通斷信號；由逆變器將輸入直流電壓轉(zhuǎn)換成具有相應(yīng)頻率和相位的交流電流器將輸入直流電壓轉(zhuǎn)換成具有相應(yīng)頻率和相位的交流電流和電壓，供給伺服電動機(jī)。和電壓，供給伺服電動機(jī)。 圖中的逆變器通常為由電力圖中的逆變器通常為由電力MOSFET、IGBT等全控等全控型器件構(gòu)成，并采用脈寬調(diào)制技術(shù)的型器件構(gòu)成，并采用脈寬調(diào)制技術(shù)的PWM逆變器，可逆變器，可以直接將輸入的不可調(diào)直流電壓變成頻率和大小均可調(diào)以直接將輸入的不可調(diào)直流電壓變成頻率和大小均可調(diào)的變頻、變壓交流電輸出。在輸入為交流電源的場合，的變頻、變壓交流電輸出。在輸入為交流電源的場合，可由整流器將交流電整流，并經(jīng)電容濾波后，作為直流可由整流器將交

17、流電整流，并經(jīng)電容濾波后，作為直流電源提供給逆變器，此時(shí)整流器和逆變器結(jié)合起來構(gòu)成電源提供給逆變器，此時(shí)整流器和逆變器結(jié)合起來構(gòu)成了一臺了一臺交交-直直-交變頻器交變頻器。 3.1.3 無刷永磁伺服電動機(jī)的分類無刷永磁伺服電動機(jī)的分類無刷永磁伺服電動機(jī)的分類無刷永磁伺服電動機(jī)的分類 無刷直流電動機(jī)（無刷直流電動機(jī)（BLDCMBrushless DC Motor）：）： 定子繞組中的感應(yīng)電動勢應(yīng)為梯形波，定子繞組中應(yīng)通入定子繞組中的感應(yīng)電動勢應(yīng)為梯形波，定子繞組中應(yīng)通入方波電流，因此無刷直流電動機(jī)也稱為方波電流，因此無刷直流電動機(jī)也稱為梯形波永磁同步電梯形波永磁同步電動機(jī)動機(jī)或或方波永磁同步電動

18、機(jī)方波永磁同步電動機(jī)。 正弦波永磁同步電動機(jī)：正弦波永磁同步電動機(jī)：簡稱簡稱永磁同步電動機(jī)永磁同步電動機(jī)（PMSM Permanent Magnet Synchronous Motor）。）。定子繞組感應(yīng)電動勢為正弦波，為了產(chǎn)生恒定轉(zhuǎn)矩，定子定子繞組感應(yīng)電動勢為正弦波，為了產(chǎn)生恒定轉(zhuǎn)矩，定子繞組應(yīng)通入正弦波電流。繞組應(yīng)通入正弦波電流。3.1.3 無刷永磁伺服電動機(jī)的分類無刷永磁伺服電動機(jī)的分類 兩種電動機(jī)在結(jié)構(gòu)上的差別兩種電動機(jī)在結(jié)構(gòu)上的差別 無刷直流電動機(jī)：無刷直流電動機(jī)：為得到平頂部分足夠?qū)挼奶菪尾ǜ袘?yīng)為得到平頂部分足夠?qū)挼奶菪尾ǜ袘?yīng)電動勢，轉(zhuǎn)子常采用表面式或嵌入式結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子磁鋼呈弧電動勢

19、，轉(zhuǎn)子常采用表面式或嵌入式結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子磁鋼呈弧形（瓦形），并采用形（瓦形），并采用徑向充磁徑向充磁方式。由于內(nèi)置式轉(zhuǎn)子很難方式。由于內(nèi)置式轉(zhuǎn)子很難產(chǎn)生梯形波感應(yīng)電動勢，無刷直流電動機(jī)中一般不宜采用。產(chǎn)生梯形波感應(yīng)電動勢，無刷直流電動機(jī)中一般不宜采用。 正弦波永磁同步電動機(jī)：正弦波永磁同步電動機(jī)：轉(zhuǎn)子既可以采用表面式和嵌入轉(zhuǎn)子既可以采用表面式和嵌入式結(jié)構(gòu)，也可以采用內(nèi)置式結(jié)構(gòu)。為產(chǎn)生正弦波感應(yīng)電動式結(jié)構(gòu)，也可以采用內(nèi)置式結(jié)構(gòu)。為產(chǎn)生正弦波感應(yīng)電動勢，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使氣隙磁密盡可能呈正弦分布。以勢，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使氣隙磁密盡可能呈正弦分布。以圖圖3-1a）所示的表面式結(jié)構(gòu)為例，在正弦波永磁同步電動機(jī)中，轉(zhuǎn)所示的

20、表面式結(jié)構(gòu)為例，在正弦波永磁同步電動機(jī)中，轉(zhuǎn)子磁鋼表面常呈拋物線形，并采用子磁鋼表面常呈拋物線形，并采用平行充磁平行充磁方式；定子方方式；定子方面采用短距分布繞組或正弦繞組，以最大限度地抑制諧波面采用短距分布繞組或正弦繞組，以最大限度地抑制諧波磁場對感應(yīng)電動勢波形的影響。磁場對感應(yīng)電動勢波形的影響。 3.1.3 無刷永磁伺服電動機(jī)的分類無刷永磁伺服電動機(jī)的分類 兩種電動機(jī)在其它方面的差別兩種電動機(jī)在其它方面的差別 兩種電動機(jī)在運(yùn)行原理、分析方法及數(shù)學(xué)模型、控制策兩種電動機(jī)在運(yùn)行原理、分析方法及數(shù)學(xué)模型、控制策略及控制系統(tǒng)、運(yùn)行性能等方面均有很大差異。略及控制系統(tǒng)、運(yùn)行性能等方面均有很大差異。

21、正弦波永磁同步電動機(jī)：正弦波永磁同步電動機(jī)：由電勵磁同步電動機(jī)發(fā)展而來，由電勵磁同步電動機(jī)發(fā)展而來，出發(fā)點(diǎn)是用永磁體取代轉(zhuǎn)子勵磁繞組，運(yùn)行原理、分析方出發(fā)點(diǎn)是用永磁體取代轉(zhuǎn)子勵磁繞組，運(yùn)行原理、分析方法、運(yùn)行性能等與普通電勵磁同步電動機(jī)基本相同，只是法、運(yùn)行性能等與普通電勵磁同步電動機(jī)基本相同，只是由于采用永磁體勵磁和自控變頻方式帶來了一些新特點(diǎn)。由于采用永磁體勵磁和自控變頻方式帶來了一些新特點(diǎn)。 無刷直流電動機(jī)：無刷直流電動機(jī)：是由直流電動機(jī)發(fā)展而來的，其出發(fā)是由直流電動機(jī)發(fā)展而來的，其出發(fā)點(diǎn)是用由轉(zhuǎn)子位置傳感器和逆變器構(gòu)成的點(diǎn)是用由轉(zhuǎn)子位置傳感器和逆變器構(gòu)成的電子換向器電子換向器取代取代有

22、刷直流電動機(jī)中的機(jī)械換向器，把輸入直流電流轉(zhuǎn)換成有刷直流電動機(jī)中的機(jī)械換向器，把輸入直流電流轉(zhuǎn)換成交變的方波電流輸入多相電樞繞組，其轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生方式、控交變的方波電流輸入多相電樞繞組，其轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生方式、控制方法和運(yùn)行性能等更接近直流電動機(jī)，由于省去了機(jī)械制方法和運(yùn)行性能等更接近直流電動機(jī)，由于省去了機(jī)械換向器和電刷，故得名為無刷直流電動機(jī)。換向器和電刷，故得名為無刷直流電動機(jī)。3.1.3 無刷永磁伺服電動機(jī)的分類無刷永磁伺服電動機(jī)的分類 關(guān)于無刷直流電動機(jī)的歸類問題：關(guān)于無刷直流電動機(jī)的歸類問題： 如前所述，無刷直流電動機(jī)是由直流電動機(jī)發(fā)展而來如前所述，無刷直流電動機(jī)是由直流電動機(jī)發(fā)展而來的，應(yīng)屬于

23、直流電動機(jī)。但另一方面，就電機(jī)本體而言，的，應(yīng)屬于直流電動機(jī)。但另一方面，就電機(jī)本體而言，無刷直流電動機(jī)與正弦波永磁同步電動機(jī)差別不大；從無刷直流電動機(jī)與正弦波永磁同步電動機(jī)差別不大；從控制系統(tǒng)的角度看，電動機(jī)是由逆變器供電的，并且工控制系統(tǒng)的角度看，電動機(jī)是由逆變器供電的，并且工作在自控變頻方式或自同步方式下，因此又是一種自控作在自控變頻方式或自同步方式下，因此又是一種自控變頻同步電動機(jī)系統(tǒng)。鑒于此，變頻同步電動機(jī)系統(tǒng)。鑒于此，目前既有人將其歸為直目前既有人將其歸為直流電動機(jī)，也有人將其歸于同步電動機(jī)流電動機(jī)，也有人將其歸于同步電動機(jī)。 3.2 無刷直流電動機(jī)無刷直流電動機(jī)3.2.1 無刷直

24、流電動機(jī)的運(yùn)行原理無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行原理3.2.2 無刷直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械特性無刷直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械特性3.2.3 無刷直流電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型無刷直流電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型3.2.4 無刷直流電動機(jī)的控制系統(tǒng)無刷直流電動機(jī)的控制系統(tǒng)3.2.5 無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動3.2.1 無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行原理無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行原理1.無刷直流電動機(jī)的基本思想無刷直流電動機(jī)的基本思想 直流電動機(jī)的工作特征直流電動機(jī)的工作特征：在直流電動機(jī)中，通常磁極在在直流電動機(jī)中，通常磁極在定子上，電樞繞組位于轉(zhuǎn)子上。由電源向電樞繞組提供的定子上，電樞繞組位于轉(zhuǎn)子上。由電

25、源向電樞繞組提供的電流為直流，而為了能產(chǎn)生大小、方向均保持不變的電磁電流為直流，而為了能產(chǎn)生大小、方向均保持不變的電磁轉(zhuǎn)矩，每一主磁極下電樞繞組元件邊中的電流方向應(yīng)相同轉(zhuǎn)矩，每一主磁極下電樞繞組元件邊中的電流方向應(yīng)相同并保持不變，但因每一元件邊均隨轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而輪流經(jīng)過并保持不變，但因每一元件邊均隨轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而輪流經(jīng)過N、S極，故每一元件邊中的電流方向必須相應(yīng)交替變化，極，故每一元件邊中的電流方向必須相應(yīng)交替變化，即必須為交變電流。在有刷直流電動機(jī)中，把外部輸入的即必須為交變電流。在有刷直流電動機(jī)中，把外部輸入的直流電變換成電樞繞組中的交變電流是由電刷和機(jī)械式換直流電變換成電樞繞組中的交變電流是

26、由電刷和機(jī)械式換向器完成的，每當(dāng)一個(gè)元件邊經(jīng)過幾何中性線由向器完成的，每當(dāng)一個(gè)元件邊經(jīng)過幾何中性線由N極轉(zhuǎn)到極轉(zhuǎn)到S極下或由極下或由S極轉(zhuǎn)到極轉(zhuǎn)到N極下時(shí)，通過電刷和機(jī)械換向器使繞組極下時(shí)，通過電刷和機(jī)械換向器使繞組電流改變方向。電流改變方向。 3.2.1 無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行原理無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行原理 無刷直流電動機(jī)的基本思想無刷直流電動機(jī)的基本思想：為了消除電刷和機(jī)械為了消除電刷和機(jī)械換向器，在無刷直流電動機(jī)中將直流電動機(jī)反裝，即換向器，在無刷直流電動機(jī)中將直流電動機(jī)反裝，即將永磁體磁極放在轉(zhuǎn)子上，而電樞繞組成為靜止的定將永磁體磁極放在轉(zhuǎn)子上，而電樞繞組成為靜止的定子繞組，為了使定子繞組

27、中的電流方向能隨其線圈邊子繞組，為了使定子繞組中的電流方向能隨其線圈邊所在處的磁場極性交替變化，需將定子繞組與電力電所在處的磁場極性交替變化，需將定子繞組與電力電子器件構(gòu)成的逆變器連接，并安裝轉(zhuǎn)子位置檢測器，子器件構(gòu)成的逆變器連接，并安裝轉(zhuǎn)子位置檢測器，以檢測轉(zhuǎn)子磁極的空間位置，根據(jù)轉(zhuǎn)子磁極的空間位以檢測轉(zhuǎn)子磁極的空間位置，根據(jù)轉(zhuǎn)子磁極的空間位置（由此可以確定電樞繞組各線圈邊所在處磁場的極置（由此可以確定電樞繞組各線圈邊所在處磁場的極性）控制逆變器中功率開關(guān)器件的通斷，從而控制電性）控制逆變器中功率開關(guān)器件的通斷，從而控制電樞繞組的導(dǎo)通情況及繞組電流的方向，顯然在這里轉(zhuǎn)樞繞組的導(dǎo)通情況及繞組電

28、流的方向，顯然在這里轉(zhuǎn)子位置檢測器和逆變器起到了子位置檢測器和逆變器起到了“電子換向器電子換向器”的作用。的作用。 3.2.1 無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行原理無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行原理2. 電樞繞組及其與逆變器的連接電樞繞組及其與逆變器的連接 有刷直流電動機(jī)通常元件數(shù)很多，其電樞繞組相當(dāng)于一有刷直流電動機(jī)通常元件數(shù)很多，其電樞繞組相當(dāng)于一個(gè)相數(shù)很多的多相繞組，而無刷直流電動機(jī)中相數(shù)的增多個(gè)相數(shù)很多的多相繞組，而無刷直流電動機(jī)中相數(shù)的增多會造成逆變器功率開關(guān)器件數(shù)量增多，電路變得復(fù)雜，成會造成逆變器功率開關(guān)器件數(shù)量增多，電路變得復(fù)雜，成本增高，可靠性變差，目前最常見的無刷直流電動機(jī)為三本增高，可靠性變差

29、，目前最常見的無刷直流電動機(jī)為三相，也有采用二相、四相和五相的。相，也有采用二相、四相和五相的。 無刷直流電動機(jī)的定子繞組可以采用星形連接，也可以無刷直流電動機(jī)的定子繞組可以采用星形連接，也可以采用角形（或稱封閉形）連接。當(dāng)繞組為星形連接時(shí)，其采用角形（或稱封閉形）連接。當(dāng)繞組為星形連接時(shí)，其逆變器可以采用橋式電路，也可以采用半橋電路；當(dāng)繞組逆變器可以采用橋式電路，也可以采用半橋電路；當(dāng)繞組為角形連接時(shí)，逆變器只能采用橋式電路。以三相無刷直為角形連接時(shí)，逆變器只能采用橋式電路。以三相無刷直流電動機(jī)為例，三種連接方式如圖流電動機(jī)為例，三種連接方式如圖3-6所示。所示。 3.2.1 無刷直流電動機(jī)

30、的運(yùn)行原理無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行原理 a)半橋電路半橋電路 b）繞組星形連接的橋式電路）繞組星形連接的橋式電路 c）繞組角形連接的橋式電路）繞組角形連接的橋式電路 圖圖3-6 三相無刷直流電動機(jī)繞組連接方式三相無刷直流電動機(jī)繞組連接方式 3.2.1 無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行原理無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行原理 對于角形連接，當(dāng)感應(yīng)電動勢不平衡時(shí)閉合繞對于角形連接，當(dāng)感應(yīng)電動勢不平衡時(shí)閉合繞組回路中會產(chǎn)生環(huán)流，因此在無刷直流電動機(jī)中組回路中會產(chǎn)生環(huán)流，因此在無刷直流電動機(jī)中較少采用。半橋連接由于繞組利用率較低，一般較少采用。半橋連接由于繞組利用率較低，一般僅用于對成本敏感的小功率場合，僅用于對成本敏感的小功率

31、場合，廣泛應(yīng)用的是廣泛應(yīng)用的是星形全橋接法星形全橋接法。 工作情況分析：工作情況分析：3.2.1 無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行原理無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行原理3無刷直流電動機(jī)的工作原理無刷直流電動機(jī)的工作原理 下面以圖下面以圖3-7所示的星形全橋接法三相無刷直流電動機(jī)為所示的星形全橋接法三相無刷直流電動機(jī)為例，對無刷直流電動機(jī)的具體工作情況作進(jìn)一步分析，為例，對無刷直流電動機(jī)的具體工作情況作進(jìn)一步分析，為了便于分析，圖中還給出了各電量的正方向。了便于分析，圖中還給出了各電量的正方向。圖圖3-7 三相無刷直流電動機(jī)原理圖三相無刷直流電動機(jī)原理圖 設(shè)電機(jī)為設(shè)電機(jī)為2極，定子為三相極，定子為三相整距集中繞組，轉(zhuǎn)

32、子采用表整距集中繞組，轉(zhuǎn)子采用表面式結(jié)構(gòu)，永磁體寬度為面式結(jié)構(gòu)，永磁體寬度為120電角度，轉(zhuǎn)子按逆時(shí)針電角度，轉(zhuǎn)子按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，電角速度為方向旋轉(zhuǎn)，電角速度為 r 。 rt=0 換相前；換相后換相前；換相后 rt=60換相前；換相后換相前；換相后 3.2.1 無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行原理無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行原理圖圖3-8 無刷直流電動機(jī)工作原理無刷直流電動機(jī)工作原理 a） rt=0換相前換相前a） rt=0換相前換相前b） rt=0換相后換相后圖圖3-9 不同時(shí)刻的電流路徑不同時(shí)刻的電流路徑 b） rt=0換相后換相后3.2.1 無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行原理無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行原理圖圖3-8 無刷

33、直流電動機(jī)工作原理無刷直流電動機(jī)工作原理 c） rt=60換相前換相前c） rt=60換相后換相后圖圖3-9 不同時(shí)刻的電流路徑不同時(shí)刻的電流路徑 d） rt=60換相后換相后b） rt=60換相前換相前3.2.1 無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行原理無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行原理 工作情況小結(jié)：工作情況小結(jié)：轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60電角度，進(jìn)行一次換相，電角度，進(jìn)行一次換相，使繞組導(dǎo)通情況改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一對磁極，對應(yīng)于使繞組導(dǎo)通情況改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一對磁極，對應(yīng)于360電角度，需進(jìn)行電角度，需進(jìn)行6次換相，相應(yīng)地定子繞組有次換相，相應(yīng)地定子繞組有6種導(dǎo)通種導(dǎo)通狀態(tài)，而在每個(gè)狀態(tài)，而在每個(gè)60區(qū)間都只有兩

34、相繞組同時(shí)導(dǎo)通，另外一區(qū)間都只有兩相繞組同時(shí)導(dǎo)通，另外一相繞組電流為零，這種工作方式常稱為相繞組電流為零，這種工作方式常稱為二相導(dǎo)通三相六狀態(tài)二相導(dǎo)通三相六狀態(tài)。由上述分析不難得出，各由上述分析不難得出，各60區(qū)間同時(shí)導(dǎo)通的功率開關(guān)依次區(qū)間同時(shí)導(dǎo)通的功率開關(guān)依次為為V6V1V1V2V2V3V3V4 V4V5 V5V6。 由此可見，根據(jù)轉(zhuǎn)子磁極的空間位置，通過逆變器改變繞由此可見，根據(jù)轉(zhuǎn)子磁極的空間位置，通過逆變器改變繞組電流的通斷情況，實(shí)現(xiàn)繞組電流換相，在直流電流一定的組電流的通斷情況，實(shí)現(xiàn)繞組電流換相，在直流電流一定的情況下，只要主磁極所覆蓋的空間足夠?qū)?，則任何時(shí)刻永磁情況下，只要主磁極所覆

35、蓋的空間足夠?qū)?，則任何時(shí)刻永磁磁極所覆蓋線圈邊中的電流方向及大小均保持不變，導(dǎo)體所磁極所覆蓋線圈邊中的電流方向及大小均保持不變，導(dǎo)體所受電磁力在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的反作用轉(zhuǎn)矩大小、方向也保持不變。受電磁力在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的反作用轉(zhuǎn)矩大小、方向也保持不變。 3.2.1 無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行原理無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行原理4電樞磁動勢電樞磁動勢 在在圖圖3-8a）所示所示t=0時(shí)刻，換相前電樞磁動勢如圖中時(shí)刻，換相前電樞磁動勢如圖中Fa所所示，領(lǐng)先勵磁磁動勢示，領(lǐng)先勵磁磁動勢Ff 60電角度；換相后，電樞磁動勢電角度；換相后，電樞磁動勢如如圖圖3-8b）所示，可見在換相瞬間電樞磁動勢跳躍前進(jìn)了所示，可見在換相瞬間

36、電樞磁動勢跳躍前進(jìn)了60，F(xiàn)a領(lǐng)先領(lǐng)先Ff的角度由的角度由60跳變?yōu)樘優(yōu)?20；在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過；在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過60到達(dá)到達(dá)圖圖3-8c）所示位置之前，繞組導(dǎo)通情況不變，電所示位置之前，繞組導(dǎo)通情況不變，電樞磁動勢樞磁動勢Fa保持不變，隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，保持不變，隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，F(xiàn)a與與Ff的夾角由的夾角由120逐漸減少到逐漸減少到60；由；由圖圖3-8d）可見，電流換相后，電可見，電流換相后，電樞磁動勢再次跳躍前進(jìn)樞磁動勢再次跳躍前進(jìn)60。由此可見，無刷直流電動機(jī)。由此可見，無刷直流電動機(jī)的電樞磁動勢不是勻速旋轉(zhuǎn)的圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢，而是跳躍的電樞磁動勢不是勻速旋轉(zhuǎn)的圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢，而是跳躍式前進(jìn)的式前進(jìn)

37、的步進(jìn)磁動勢步進(jìn)磁動勢，對于二相導(dǎo)通三相六狀態(tài)工作方式，對于二相導(dǎo)通三相六狀態(tài)工作方式，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60，電樞磁動勢跳躍前進(jìn)，電樞磁動勢跳躍前進(jìn)60，電樞磁動勢，電樞磁動勢領(lǐng)先轉(zhuǎn)子磁動勢的電角度保持在領(lǐng)先轉(zhuǎn)子磁動勢的電角度保持在60120之間。之間。 3.2.1 無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行原理無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行原理5感應(yīng)電動勢和繞組電流波形感應(yīng)電動勢和繞組電流波形 分析中作如下理想假定：（分析中作如下理想假定：（1）氣隙磁場僅由轉(zhuǎn)子上的）氣隙磁場僅由轉(zhuǎn)子上的永磁體建立，所產(chǎn)生的氣隙磁密在永磁體所覆蓋的永磁體建立，所產(chǎn)生的氣隙磁密在永磁體所覆蓋的120范圍內(nèi)保持恒定，在范圍內(nèi)保持恒定，在N、

38、S極兩永磁體之間線性變化，其極兩永磁體之間線性變化，其空間分布波形為如圖空間分布波形為如圖3-10所示的平頂寬度為所示的平頂寬度為120電角度電角度的梯形波；（的梯形波；（2）直流側(cè)電流恒定；（）直流側(cè)電流恒定；（3）繞組電流的換相）繞組電流的換相是瞬間完成的。是瞬間完成的。圖圖3-10 氣隙磁場的空間分布?xì)庀洞艌龅目臻g分布 仍以轉(zhuǎn)子處于仍以轉(zhuǎn)子處于圖圖3-8a）所示時(shí)刻所示時(shí)刻為為t=0時(shí)刻，三相定子繞組感應(yīng)電動時(shí)刻，三相定子繞組感應(yīng)電動勢、電流波形如勢、電流波形如圖圖3-11所示，其中所示，其中各量的正方向參見各量的正方向參見圖圖3-7。 （以（以A相為例說明有關(guān)波形）相為例說明有關(guān)波形）

39、3.2.2 無刷直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械特性無刷直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械特性1電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩 無刷直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩?zé)o刷直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te可根據(jù)電磁功率可根據(jù)電磁功率Pe求出求出 ree PT （3-1） 式中，式中， r為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度。為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度。 而三相無刷直流電動機(jī)的電磁功率瞬時(shí)值為而三相無刷直流電動機(jī)的電磁功率瞬時(shí)值為 CCBBAAeieieieP （3-2） 觀察觀察圖圖3-11可以發(fā)現(xiàn)，在理想情況下任意時(shí)刻三相繞組可以發(fā)現(xiàn)，在理想情況下任意時(shí)刻三相繞組中均有兩相導(dǎo)通，一相電動勢為中均有兩相導(dǎo)通，一相電動勢為Ep、電流為、電流為Id；另一相電；另一相電動勢為動勢

40、為-Ep、電流為、電流為-Id。以。以060區(qū)間為例，有：區(qū)間為例，有：eA=Ep，iA=Id，eB=-Ep，iB= -Id，而，而iC=0。故任意時(shí)刻均有。故任意時(shí)刻均有 3.2.2 無刷直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械特性無刷直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械特性 則電動機(jī)的瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩則電動機(jī)的瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩 dpCCBBAAe2IEieieieP （3-3） rdprCCBBAAe2IEieieieT （3-4） 可見，理想情況下無刷直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是恒定的，可見，理想情況下無刷直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是恒定的，波形如波形如圖圖3-11所示。所示。 考慮到繞組感應(yīng)電動勢幅值考慮到繞組感應(yīng)電動勢幅值Ep

41、與轉(zhuǎn)速成正比，則應(yīng)有與轉(zhuǎn)速成正比，則應(yīng)有rppnKE （3-5） 式中，式中，nr為轉(zhuǎn)速，單位為為轉(zhuǎn)速，單位為r/min；Kp為與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常為與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，并和永磁體產(chǎn)生的氣隙磁密數(shù)，并和永磁體產(chǎn)生的氣隙磁密B 或每極磁通或每極磁通 成正比。成正比。 3.2.2 無刷直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械特性無刷直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械特性 將式（將式（3-5）代入式（）代入式（3-4），并考慮到），并考慮到 ，可得，可得 rr602ndtdprdrpe602IKIKInKT （3-6） 式中，式中，Kt為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)， pt60KK 式（式（3-6）表明，無刷直流電動

42、機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式與普）表明，無刷直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式與普通有刷直流電動機(jī)相同，若不計(jì)電樞反應(yīng)磁動勢對氣隙磁通有刷直流電動機(jī)相同，若不計(jì)電樞反應(yīng)磁動勢對氣隙磁場的影響，轉(zhuǎn)矩系數(shù)場的影響，轉(zhuǎn)矩系數(shù)Kt為常數(shù)，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流成正為常數(shù)，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流成正比，通過控制定子電流大小就可以控制電磁轉(zhuǎn)矩，因此無比，通過控制定子電流大小就可以控制電磁轉(zhuǎn)矩，因此無刷直流電動機(jī)具有與有刷直流電動機(jī)同樣優(yōu)良的控制性能。刷直流電動機(jī)具有與有刷直流電動機(jī)同樣優(yōu)良的控制性能。3.2.2 無刷直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械特性無刷直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械特性2機(jī)械特性機(jī)械特性 仔細(xì)觀察仔細(xì)觀察圖圖3-9不同時(shí)刻的

43、電流路徑不難發(fā)現(xiàn)，對于前不同時(shí)刻的電流路徑不難發(fā)現(xiàn)，對于前述無刷直流電動機(jī)，從電路連接情況看有下述特點(diǎn)：在任述無刷直流電動機(jī)，從電路連接情況看有下述特點(diǎn)：在任意時(shí)刻同時(shí)導(dǎo)通的兩相繞組串聯(lián)后跨接在直流電源電壓意時(shí)刻同時(shí)導(dǎo)通的兩相繞組串聯(lián)后跨接在直流電源電壓Ud兩端，第三相繞組處于開路狀態(tài)，電流為零。以兩端，第三相繞組處于開路狀態(tài)，電流為零。以060區(qū)區(qū)間為例，電流路徑為：電源正極間為例，電流路徑為：電源正極V1A相繞組相繞組B相繞相繞組組V6 電源負(fù)極。則穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，由于電流恒定，不必電源負(fù)極。則穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，由于電流恒定，不必考慮電樞繞組電感的影響，若忽略功率開關(guān)的管壓降，在考慮電樞繞組電感的影

44、響，若忽略功率開關(guān)的管壓降，在上述上述60區(qū)間直流回路的電壓平衡方程應(yīng)為區(qū)間直流回路的電壓平衡方程應(yīng)為 ABdsBBsAAsd2)(eIReiReiRU （3-7） 式中，式中，Rs為定子繞組每相電阻；為定子繞組每相電阻；eAB為為A、B兩相間的線電兩相間的線電動勢，動勢， eAB=eA-eB 。 3.2.2 無刷直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械特性無刷直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械特性 由由圖圖3-11，在，在060區(qū)間區(qū)間eA=Ep，eB= -Ep，故，故eAB=2Ep，將，將其代入式（其代入式（3-7），則），則 （3-8） 不難看出，式（不難看出，式（3-8）對其它區(qū)間同樣適用，即式（）對其它區(qū)

45、間同樣適用，即式（3-8）就是三相無刷直流電動機(jī)的直流回路電壓平衡方程。將式就是三相無刷直流電動機(jī)的直流回路電壓平衡方程。將式（3-5）代入式（）代入式（3-8），并解出轉(zhuǎn)速），并解出轉(zhuǎn)速nr，可得無刷直流電動，可得無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為pdsd22EIRU dpspdpdsdr222IKRKUKIRUn （3-9） 將式（將式（3-6）代入上式，可得機(jī)械特性方程式）代入上式，可得機(jī)械特性方程式 etpspdr2TKKRKUn （3-10） 3.2.2 無刷直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械特性無刷直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械特性 可見，無刷直流電動機(jī)的機(jī)械特性方程同他勵直流電可見，無

46、刷直流電動機(jī)的機(jī)械特性方程同他勵直流電動機(jī)在形式上完全一致。動機(jī)在形式上完全一致。圖圖3-12給出了不同給出了不同Ud下的機(jī)械特下的機(jī)械特性曲線。性曲線。 綜合以上分析，綜合以上分析，圖圖3-7所示的無刷直流電動機(jī)無論是轉(zhuǎn)所示的無刷直流電動機(jī)無論是轉(zhuǎn)矩公式、轉(zhuǎn)速公式，還是機(jī)械特性方程在形式上均與他勵矩公式、轉(zhuǎn)速公式，還是機(jī)械特性方程在形式上均與他勵直流電動機(jī)相同，即其與直流電動機(jī)具有相同的電磁關(guān)系直流電動機(jī)相同，即其與直流電動機(jī)具有相同的電磁關(guān)系和特性，若從圖和特性，若從圖3-7直流電源的正、負(fù)端子看進(jìn)去，整個(gè)直流電源的正、負(fù)端子看進(jìn)去，整個(gè)虛線框中的部分就等同于一臺他勵直流電動機(jī)，施加于逆虛

47、線框中的部分就等同于一臺他勵直流電動機(jī)，施加于逆變器的直流電壓和電流就相當(dāng)于直流電動機(jī)的電樞電壓和變器的直流電壓和電流就相當(dāng)于直流電動機(jī)的電樞電壓和電流。由此可見，電流。由此可見，“無刷直流電動機(jī)無刷直流電動機(jī)”這一術(shù)語應(yīng)該是指這一術(shù)語應(yīng)該是指永磁伺服電動機(jī)、逆變器、轉(zhuǎn)子位置檢測器及相應(yīng)換相控永磁伺服電動機(jī)、逆變器、轉(zhuǎn)子位置檢測器及相應(yīng)換相控制電路的組合體，而并非僅指電動機(jī)本體。制電路的組合體，而并非僅指電動機(jī)本體。 3.2.3 無刷直流電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型無刷直流電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型 前面討論了無刷直流電動機(jī)的工作原理及其穩(wěn)態(tài)性能，前面討論了無刷直流電動機(jī)的工作原理及其穩(wěn)態(tài)性能，為了突出主要

48、問題，分析是在假定感應(yīng)電動勢波形為理想為了突出主要問題，分析是在假定感應(yīng)電動勢波形為理想的梯形波、忽略換相過程、繞組電流為理想方波的前提下的梯形波、忽略換相過程、繞組電流為理想方波的前提下進(jìn)行的。實(shí)際無刷直流電機(jī)的感應(yīng)電動勢、繞組電流波形進(jìn)行的。實(shí)際無刷直流電機(jī)的感應(yīng)電動勢、繞組電流波形往往與上述理想情況有明顯差異，為了得到更接近實(shí)際的往往與上述理想情況有明顯差異，為了得到更接近實(shí)際的結(jié)果，在無刷直流電動機(jī)的分析研究中常采用系統(tǒng)仿真的結(jié)果，在無刷直流電動機(jī)的分析研究中常采用系統(tǒng)仿真的方法，為此需建立無刷直流電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。另外，方法，為此需建立無刷直流電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。另外，無刷直流

49、電動機(jī)作為伺服電動機(jī)，除了穩(wěn)態(tài)性能外，對其無刷直流電動機(jī)作為伺服電動機(jī)，除了穩(wěn)態(tài)性能外，對其動態(tài)性能的分析、研究也是不可缺少的，這往往也須借助動態(tài)性能的分析、研究也是不可缺少的，這往往也須借助于動態(tài)數(shù)學(xué)模型和系統(tǒng)仿真。于動態(tài)數(shù)學(xué)模型和系統(tǒng)仿真。 3.2.3 無刷直流電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型無刷直流電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型 一般交流電機(jī)的磁動勢和氣隙磁場等均可認(rèn)為在空間按一般交流電機(jī)的磁動勢和氣隙磁場等均可認(rèn)為在空間按正弦規(guī)律分布，可以用空間矢量來描述，在研究動態(tài)問題正弦規(guī)律分布，可以用空間矢量來描述，在研究動態(tài)問題時(shí)通過坐標(biāo)變換的方法常?？梢允箘討B(tài)方程得以簡化，在時(shí)通過坐標(biāo)變換的方法常?？梢允箘討B(tài)方程

50、得以簡化，在討論三相感應(yīng)電動機(jī)矢量控制時(shí)我們便采用了這種方法。討論三相感應(yīng)電動機(jī)矢量控制時(shí)我們便采用了這種方法。但是在無刷直流電動機(jī)中，由于氣隙磁場在空間不是按正但是在無刷直流電動機(jī)中，由于氣隙磁場在空間不是按正弦規(guī)律分布的，因此坐標(biāo)變換理論已不是有效的分析方法。弦規(guī)律分布的，因此坐標(biāo)變換理論已不是有效的分析方法。無刷直流電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型通常直接建立在靜止的無刷直流電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型通常直接建立在靜止的ABC坐標(biāo)系上。坐標(biāo)系上。 假定三相無刷直流電動機(jī)定子繞組假定三相無刷直流電動機(jī)定子繞組Y接，無中線引出；接，無中線引出；轉(zhuǎn)子采用表面式結(jié)構(gòu)，且無阻尼繞組；忽略鐵心磁滯和渦轉(zhuǎn)子采用表面式結(jié)

51、構(gòu)，且無阻尼繞組；忽略鐵心磁滯和渦流損耗，并不計(jì)磁路飽和影響流損耗，并不計(jì)磁路飽和影響。采用。采用圖圖3-7所示的正方向所示的正方向規(guī)定，對各相繞組分別列電壓方程并寫成矩陣形式，可得規(guī)定，對各相繞組分別列電壓方程并寫成矩陣形式，可得 3.2.3 無刷直流電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型無刷直流電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型 式中，式中，uA、uB、uC為定子三相繞組電壓；為定子三相繞組電壓；eA、eB、eC為轉(zhuǎn)子磁場在三相為轉(zhuǎn)子磁場在三相繞組中的感應(yīng)電動勢；繞組中的感應(yīng)電動勢；LA、LB、LC為定子三相繞組自感；為定子三相繞組自感；LAB、LAC、LBA、LBC、LCA、LCB為定子三相繞組間的互感。為定子三相繞組

52、間的互感。 CBACBACCBCABCBBAACABACBAsssCBAdd000000eeeiiiLLLLLLLLLtiiiRRRuuu（3-11） 前已述及，表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的無刷永磁伺服電動機(jī)是一種隱極式同前已述及，表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的無刷永磁伺服電動機(jī)是一種隱極式同步電機(jī)，其自感和互感均與轉(zhuǎn)子位置無關(guān)，為常值，同時(shí)考慮到定子步電機(jī)，其自感和互感均與轉(zhuǎn)子位置無關(guān)，為常值，同時(shí)考慮到定子三相繞組的對稱性，故有三相繞組的對稱性，故有 sCBALLLL mCBBCACCABAABLLLLLLL 式中，式中，Ls為每相繞組自感，為每相繞組自感，Lm為相間互感。為相間互感。 3.2.3 無刷直流電動機(jī)的

53、動態(tài)數(shù)學(xué)模型無刷直流電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型 由于定子繞組為三相由于定子繞組為三相Y接，無中線，故有接，無中線，故有iA+iB+iC=0，則有，則有LmiB+LmiC=-LmiA, LmiC+LmiA=-LmiB, LmiA+LmiB=-LmiC，代，代入式（入式（3-12）并整理，得）并整理，得 （3-12） 根據(jù)式（根據(jù)式（3-13），無刷直流電動機(jī)的等效電路如圖），無刷直流電動機(jī)的等效電路如圖3-13所示。所示。 則式（則式（3-11）變?yōu)椋┳優(yōu)?CBACBAsmmmsmmmsCBAsssCBAdd000000eeeiiiLLLLLLLLLtiiiRRRuuu CBACBAmsmsmsCBA

54、sssCBA000000dd000000eeeiiiLLLLLLtiiiRRRuuu（3-13） 3.2.3 無刷直流電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型無刷直流電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型 由式（由式（3-1）和式（）和式（3-2），三），三相無刷直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公相無刷直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式為式為（3-14） 式（式（3-13）（3-15）構(gòu)成了無刷直流電動機(jī)電機(jī)本體）構(gòu)成了無刷直流電動機(jī)電機(jī)本體的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行系統(tǒng)仿真時(shí)還需與逆變器及控制電的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行系統(tǒng)仿真時(shí)還需與逆變器及控制電路相結(jié)合。路相結(jié)合。 （3-15） )(1CCBBAAreieieieT 機(jī)械運(yùn)動方程為機(jī)械運(yùn)動方程為tJTTdd

55、rLe 式中，式中，TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J為轉(zhuǎn)動慣量。為轉(zhuǎn)動慣量。 圖圖3-13 三相無刷直流電三相無刷直流電動機(jī)的等效電路動機(jī)的等效電路3.2.4 無刷直流電動機(jī)的控制系統(tǒng)無刷直流電動機(jī)的控制系統(tǒng)1轉(zhuǎn)子位置傳感器與換相控制轉(zhuǎn)子位置傳感器與換相控制 轉(zhuǎn)子位置傳感器簡介轉(zhuǎn)子位置傳感器簡介 三相無刷直流電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過三相無刷直流電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60電角電角度定子繞組導(dǎo)通狀態(tài)就改變一次，即發(fā)生一次換相，這些度定子繞組導(dǎo)通狀態(tài)就改變一次，即發(fā)生一次換相，這些換相時(shí)刻是由換相時(shí)刻是由轉(zhuǎn)子位置傳感器轉(zhuǎn)子位置傳感器提供的。由于轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一提供的。由于轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對磁極（對應(yīng)

56、于對磁極（對應(yīng)于360電角度）轉(zhuǎn)子位置傳感器只需提供電角度）轉(zhuǎn)子位置傳感器只需提供6個(gè)依次間隔個(gè)依次間隔60的轉(zhuǎn)子位置信息，對位置檢測的分辨率要的轉(zhuǎn)子位置信息，對位置檢測的分辨率要求不高，故通常采用低成本的以光電耦合器作為檢測元件求不高，故通常采用低成本的以光電耦合器作為檢測元件的的光電式位置傳感器光電式位置傳感器或以霍爾集成電路作為檢測元件的或以霍爾集成電路作為檢測元件的磁磁敏式位置傳感器敏式位置傳感器（常稱作（常稱作霍爾位置傳感器霍爾位置傳感器），其中霍爾位），其中霍爾位置傳感器由于價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡單、體積小等優(yōu)點(diǎn)，近年置傳感器由于價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡單、體積小等優(yōu)點(diǎn)，近年來在無刷直流電動機(jī)中

57、使用較多，下面以此為例進(jìn)行討論。來在無刷直流電動機(jī)中使用較多，下面以此為例進(jìn)行討論。 3.2.4 無刷直流電動機(jī)的控制系統(tǒng)無刷直流電動機(jī)的控制系統(tǒng) 霍爾位置傳感器霍爾位置傳感器 霍爾集成電路霍爾集成電路：由根據(jù)霍爾效應(yīng)制成的霍爾元件與相應(yīng)的由根據(jù)霍爾效應(yīng)制成的霍爾元件與相應(yīng)的信號放大、整形等附加電路集成而成，分為線性型和開關(guān)型，信號放大、整形等附加電路集成而成，分為線性型和開關(guān)型，無刷直流電動機(jī)中一般使用開關(guān)型。開關(guān)型霍爾集成電路也無刷直流電動機(jī)中一般使用開關(guān)型。開關(guān)型霍爾集成電路也稱為稱為霍爾開關(guān)霍爾開關(guān)，其輸出為開關(guān)量信號，隨著元件所在處磁場，其輸出為開關(guān)量信號，隨著元件所在處磁場極性及磁

58、感應(yīng)強(qiáng)度的變化，輸出在高、低電平之間轉(zhuǎn)換。極性及磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化，輸出在高、低電平之間轉(zhuǎn)換。 霍爾式轉(zhuǎn)子位置傳感器霍爾式轉(zhuǎn)子位置傳感器：由安裝在轉(zhuǎn)子軸上并與電動機(jī)轉(zhuǎn)由安裝在轉(zhuǎn)子軸上并與電動機(jī)轉(zhuǎn)子同極數(shù)的永磁檢測轉(zhuǎn)子（位置傳感器轉(zhuǎn)子）和由子同極數(shù)的永磁檢測轉(zhuǎn)子（位置傳感器轉(zhuǎn)子）和由3只在空間只在空間依次相隔依次相隔120 （或（或60）電角度的霍爾開關(guān)構(gòu)成的位置傳）電角度的霍爾開關(guān)構(gòu)成的位置傳感器定子兩部分組成。有時(shí)也直接將霍爾開關(guān)安放在電機(jī)定感器定子兩部分組成。有時(shí)也直接將霍爾開關(guān)安放在電機(jī)定子鐵心內(nèi)表面或繞組端部緊靠鐵心處，利用電機(jī)轉(zhuǎn)子上的永子鐵心內(nèi)表面或繞組端部緊靠鐵心處，利用電機(jī)轉(zhuǎn)子上的

59、永磁體作為位置傳感器的永磁體，使結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡化。磁體作為位置傳感器的永磁體，使結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡化。 3.2.4 無刷直流電動機(jī)的控制系統(tǒng)無刷直流電動機(jī)的控制系統(tǒng) 轉(zhuǎn)子位置信號轉(zhuǎn)子位置信號 隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，霍爾開關(guān)所在隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，霍爾開關(guān)所在處磁場極性交替變化，每只霍爾開處磁場極性交替變化，每只霍爾開關(guān)的輸出均為高低電平各為關(guān)的輸出均為高低電平各為180的方波信號，因空間間隔的方波信號，因空間間隔120電電角度，角度， 三路位置信號依次相差三路位置信號依次相差120電角度，如圖電角度，如圖3-14中的中的SA、SB、SC所示。所示。圖圖3-14轉(zhuǎn)子位置信號與換相控制轉(zhuǎn)子位置信號與換相控制101

60、100 110 010 011 001 1013.2.4 無刷直流電動機(jī)的控制系統(tǒng)無刷直流電動機(jī)的控制系統(tǒng) 換相控制換相控制 圖圖3-14中同時(shí)給出了三相感應(yīng)電動勢中同時(shí)給出了三相感應(yīng)電動勢eA、eB、eC的波形。的波形。這里假定位置信號這里假定位置信號SA滯后滯后eA 30，則，則SA的上升沿對應(yīng)于的上升沿對應(yīng)于A相所接開關(guān)相所接開關(guān)V1導(dǎo)通的時(shí)刻。若無刷直流電動機(jī)采用微處理導(dǎo)通的時(shí)刻。若無刷直流電動機(jī)采用微處理器控制，可以將器控制，可以將SA、SB、SC三路位置信號作為三路位置信號作為3位二進(jìn)制數(shù)位二進(jìn)制數(shù)由由I/O端口輸入，由于轉(zhuǎn)子處于不同的端口輸入，由于轉(zhuǎn)子處于不同的60區(qū)間，其所形成