第1章無刷直流電動機.

1、特種電機及其控制1特種電機及其控制孫建忠 白鳳仙 編著中國水利水電出版社大連理工大學(xué)電氣工程系2Permanent Magnet Brushless DC Motors (PM BLDCMs)特種電機及其控制3三相三狀態(tài)BLDCM 原理傳感器：傳感器：H1=1 H2=0 H3=1導(dǎo)通相：導(dǎo)通相：B特種電機及其控制4傳感器：傳感器：H1=1 H2=0 H3=0導(dǎo)通相：導(dǎo)通相：B特種電機及其控制5傳感器：傳感器：H1=1 H2=1 H3=0導(dǎo)通相：導(dǎo)通相：C特種電機及其控制6傳感器：傳感器：H1=0 H2=1 H3=0導(dǎo)通相：導(dǎo)通相：C特種電機及其控制7傳感器：傳感器：H1=0 H2=1 H3=1

2、導(dǎo)通相：導(dǎo)通相：A特種電機及其控制8傳感器：傳感器：H1=0 H2=0 H3=1導(dǎo)通相：導(dǎo)通相：A特種電機及其控制9傳感器：傳感器：H1=1 H2=0 H3=1導(dǎo)通相：導(dǎo)通相：B特種電機及其控制101.1.1 基本組成基本組成 位位 置置 檢檢 測測 器器 逆逆 變變 器器 電電 機機 本本 體體 控控 制制 信信 號號 控控 制制 器器 輸輸 出出 直直 流流 電電 源源 無刷直流電機構(gòu)成框圖無刷直流電機構(gòu)成框圖特種電機及其控制11 定定子子 永永磁磁轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子 傳傳感感器器定定子子 傳傳感感器器轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子 (a) 結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖 (b) 定轉(zhuǎn)子實際結(jié)構(gòu)定轉(zhuǎn)子實際結(jié)構(gòu) 特種電機及其控制12

3、 N S N S N S N S 表面式磁極表面式磁極 N N N N N N S S S S S S 嵌入式磁極嵌入式磁極 N S N S N S N S 環(huán)形磁極環(huán)形磁極 內(nèi)內(nèi) 特種電機及其控制13實際電機實際電機 外外轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子 繞繞組組 永永磁磁體體 內(nèi)內(nèi)定定子子 結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖 特種電機及其控制14 US A B C D b) b) 四相半橋主電路四相半橋主電路 US A B C a) a) 三相半橋主電路三相半橋主電路1) 非橋式（半橋式）非橋式（半橋式）半控型半控型特種電機及其控制152) 橋式橋式全控型全控型c) c) 星形聯(lián)結(jié)三相橋式主電路星形聯(lián)結(jié)三相橋式主電路 US V

4、D1 VD4 VT1 VT4 VD5 VD2 VT3 VT6 VD3 VD6 VT5 VT2 A B C 特種電機及其控制16d) 三角形聯(lián)結(jié)三相橋式主電路三角形聯(lián)結(jié)三相橋式主電路 2) 橋式橋式全控型全控型 US VD1 VD4 VT1 VT4 VD5 VD2 VT3 VT6 VD3 VD6 VT5 VT2 A B C 特種電機及其控制172) 橋式橋式全控型全控型e)正交兩相全控型主電路正交兩相全控型主電路 US A B 特種電機及其控制182) 橋式橋式全控型全控型f) 封閉形聯(lián)結(jié)四相橋式主電路封閉形聯(lián)結(jié)四相橋式主電路 US A B C D 特種電機及其控制19繞組利用率：繞組利用率：三

5、相繞組優(yōu)于四相、五相繞組三相繞組優(yōu)于四相、五相繞組轉(zhuǎn)矩脈動：轉(zhuǎn)矩脈動：相數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩脈動越小相數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩脈動越小電路成本：電路成本：相數(shù)越多，電路成本越高相數(shù)越多，電路成本越高星形聯(lián)接三相橋式主電路應(yīng)用最多星形聯(lián)接三相橋式主電路應(yīng)用最多特種電機及其控制20位位置置檢檢測測器器有位有位置傳置傳感器感器檢測檢測無位無位置傳置傳感器感器檢測檢測磁敏式磁敏式光電式光電式電磁式電磁式接近開關(guān)式接近開關(guān)式正余弦變壓器正余弦變壓器編碼器編碼器反電動勢檢測反電動勢檢測續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測定子三次諧波檢測定子三次諧波檢測瞬時電壓方程法瞬時電壓方程法特種電機及其控制21控控制制器器模擬模

6、擬控制控制系統(tǒng)系統(tǒng) 數(shù)字?jǐn)?shù)字控制控制系統(tǒng)系統(tǒng) 分立元件加少量集分立元件加少量集成電路構(gòu)成的模擬成電路構(gòu)成的模擬控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 基于專用集成電路基于專用集成電路的控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng) 數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng)數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng) 全數(shù)字控制系統(tǒng)全數(shù)字控制系統(tǒng) 是無刷直流電動機正常運行并實現(xiàn)各種調(diào)速伺服是無刷直流電動機正常運行并實現(xiàn)各種調(diào)速伺服 功能的指揮中心功能的指揮中心 特種電機及其控制22永磁無刷直流永磁無刷直流電機系統(tǒng)圖電機系統(tǒng)圖控制電路對轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測的信號進行邏輯變換控制電路對轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測的信號進行邏輯變換后產(chǎn)生脈寬調(diào)制后產(chǎn)生脈寬調(diào)制PWMPWM信號，經(jīng)過驅(qū)動電路放大送至逆信號，經(jīng)過驅(qū)動

7、電路放大送至逆變器各功率開關(guān)管，從而控制電動機各相繞組按一定變器各功率開關(guān)管，從而控制電動機各相繞組按一定順序工作，在電機氣隙中產(chǎn)生跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場。順序工作，在電機氣隙中產(chǎn)生跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場。 特種電機及其控制23工作原理工作原理磁極圖示位置磁極圖示位置位置信號位置信號邏輯變換邏輯變換V1、V6開通開通 A、B相導(dǎo)通相導(dǎo)通I:E+-A-B-E- 電機順時針旋轉(zhuǎn)電機順時針旋轉(zhuǎn)磁極轉(zhuǎn)過磁極轉(zhuǎn)過60o圖示位置圖示位置位置信號位置信號邏輯變換邏輯變換V1、V2 開通開通 A、C相導(dǎo)通相導(dǎo)通I: E+-A-C-E- 電機順時針旋轉(zhuǎn)電機順時針旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60o，逆變器開關(guān)管換流一次、定子磁狀，逆

8、變器開關(guān)管換流一次、定子磁狀態(tài)改變一次，電機有態(tài)改變一次，電機有6個磁狀態(tài)，三相各導(dǎo)通個磁狀態(tài)，三相各導(dǎo)通120o轉(zhuǎn)子磁場順時針連續(xù)旋轉(zhuǎn)、定子磁場隔轉(zhuǎn)子磁場順時針連續(xù)旋轉(zhuǎn)、定子磁場隔60O跳躍旋轉(zhuǎn)跳躍旋轉(zhuǎn)特種電機及其控制24兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)時繞組和開關(guān)管導(dǎo)通順序表兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)時繞組和開關(guān)管導(dǎo)通順序表特種電機及其控制25由變頻器供電的永磁同步電動機加上轉(zhuǎn)子位置閉環(huán)由變頻器供電的永磁同步電動機加上轉(zhuǎn)子位置閉環(huán)控制系統(tǒng)后構(gòu)成自同步永磁電動機，既具有永磁直控制系統(tǒng)后構(gòu)成自同步永磁電動機，既具有永磁直流電動機的優(yōu)異調(diào)速性能，又實現(xiàn)了無刷化。流電動機的優(yōu)異調(diào)速性能，又實現(xiàn)了無刷化。 無刷直

9、流電動機與永磁同步電動機兩種驅(qū)動無刷直流電動機與永磁同步電動機兩種驅(qū)動模式的波形比較如下圖所示。模式的波形比較如下圖所示。 無刷直流電動機出力大、控制簡單、成本低，其調(diào)無刷直流電動機出力大、控制簡單、成本低，其調(diào)速性能已能達到低速轉(zhuǎn)矩脈動小于速性能已能達到低速轉(zhuǎn)矩脈動小于3、調(diào)速比大、調(diào)速比大于于1:10000的水平，因而越來越多地受到人們的青的水平，因而越來越多地受到人們的青睞。睞。 特種電機及其控制26 ia B B ea ea ia Ta Ta Te Te t t t t t t t t t t O O O O O O O O O O (a) 無刷直流電動機無刷直流電動機 (b) 永磁同

10、步電動機永磁同步電動機 特種電機及其控制27 VT3 US A B C VT1 VT2 H1 H2 H3 特種電機及其控制28在三相半橋主電路中，位置信號有在三相半橋主電路中，位置信號有1/3周期為高電平、周期為高電平、2/3周期為低電平，各傳感器之間的相位差也是周期為低電平，各傳感器之間的相位差也是1/3周期，如周期，如圖所示。圖所示。 0 120 240 360 480 t 0 120 240 360 480 t 0 120 240 360 480 t H1 H2 H3 旋轉(zhuǎn)磁場在旋轉(zhuǎn)磁場在360360 電角度范圍內(nèi)有三種磁狀態(tài)，每種電角度范圍內(nèi)有三種磁狀態(tài)，每種磁狀態(tài)持續(xù)磁狀態(tài)持續(xù)120

11、120 電角度。我們把這種工作方式叫做單電角度。我們把這種工作方式叫做單相導(dǎo)通星形相導(dǎo)通星形三相三狀態(tài)三相三狀態(tài)。特種電機及其控制29 VT2 VT6 VT4 VT1 VT3 VT5 A B C + US - - 位置檢測器的三個輸出信號通過邏輯電路控制這些位置檢測器的三個輸出信號通過邏輯電路控制這些開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，其控制方式有兩種：開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，其控制方式有兩種：。特種電機及其控制30 電機的瞬時電磁轉(zhuǎn)矩可由電樞繞組的電磁功率求得： a abbc ceEiEiEiT式中式中E Ea a、E Eb b、E Ec cA A、B B、C C三相繞組的反電動勢；三相繞組的反電動勢；i ia

12、 a、i ib b、i ic cA A、B B、C C三相繞組的電流；三相繞組的電流； 轉(zhuǎn)子的機械角速度。轉(zhuǎn)子的機械角速度。 可見，電磁轉(zhuǎn)矩取決于反電動勢的大小。在一定的轉(zhuǎn)可見，電磁轉(zhuǎn)矩取決于反電動勢的大小。在一定的轉(zhuǎn)速下，如果電流一定，反電動勢越大，轉(zhuǎn)矩越大。速下，如果電流一定，反電動勢越大，轉(zhuǎn)矩越大。特種電機及其控制31三相繞組的反電動勢波形及其二二導(dǎo)通方式下的導(dǎo)通規(guī)律三相繞組的反電動勢波形及其二二導(dǎo)通方式下的導(dǎo)通規(guī)律 特種電機及其控制32 三相繞組的反電動勢波形及其三三導(dǎo)通方式下的導(dǎo)通規(guī)律三相繞組的反電動勢波形及其三三導(dǎo)通方式下的導(dǎo)通規(guī)律 特種電機及其控制33 V T2 V T6 V T

13、4 V T1 V T3 V T5 C + US - - A C B 如圖所示的角形聯(lián)結(jié)三相橋式主電路的開關(guān)管也采用功率如圖所示的角形聯(lián)結(jié)三相橋式主電路的開關(guān)管也采用功率MOSFET。與星形聯(lián)結(jié)一樣，角形聯(lián)結(jié)的控制方式也有。與星形聯(lián)結(jié)一樣，角形聯(lián)結(jié)的控制方式也有二二二導(dǎo)通和三三導(dǎo)通二導(dǎo)通和三三導(dǎo)通兩種。兩種。 特種電機及其控制34 電樞繞組的反電動勢波形及其角形聯(lián)結(jié)二二導(dǎo)通方式的導(dǎo)通規(guī)律電樞繞組的反電動勢波形及其角形聯(lián)結(jié)二二導(dǎo)通方式的導(dǎo)通規(guī)律 特種電機及其控制35 電樞繞組的反電動勢波形及其角形聯(lián)結(jié)三三導(dǎo)通方式的導(dǎo)通規(guī)律電樞繞組的反電動勢波形及其角形聯(lián)結(jié)三三導(dǎo)通方式的導(dǎo)通規(guī)律 特種電機及其控制3

14、6電動機負(fù)載時電樞繞組產(chǎn)生的磁場對主磁場的影響稱為電動機負(fù)載時電樞繞組產(chǎn)生的磁場對主磁場的影響稱為電樞反應(yīng)電樞反應(yīng)。 電樞繞組的合成磁動勢變化電樞繞組的合成磁動勢變化如下圖所示如下圖所示 A Z B X C Y Fa Fr N S I Faq Fad II 特種電機及其控制37 A Z B X C Y Fa Fr N S I Faq Fad II 可見，在一個磁狀態(tài)范圍內(nèi)，電樞磁動勢在剛開始為最可見，在一個磁狀態(tài)范圍內(nèi)，電樞磁動勢在剛開始為最大去磁，然后去磁磁動勢逐漸減?。辉诖笕ゴ?，然后去磁磁動勢逐漸減小；在1/21/2磁狀態(tài)時既不磁狀態(tài)時既不去磁也不增磁；在后半個磁狀態(tài)內(nèi)增磁逐漸增大，最后去

15、磁也不增磁；在后半個磁狀態(tài)內(nèi)增磁逐漸增大，最后達到最大值。增磁和去磁磁動勢的大小等于電樞合成磁達到最大值。增磁和去磁磁動勢的大小等于電樞合成磁動勢動勢F Fa a在轉(zhuǎn)子磁極軸線上的投影，其最大值為在轉(zhuǎn)子磁極軸線上的投影，其最大值為特種電機及其控制38admsin2 sin2sin222mmmaawFFFIWK式中F 每相繞組的磁動勢；W每相繞組的串聯(lián)匝數(shù)； Kw繞組系數(shù)。 特種電機及其控制39無刷直流電機的磁場、電勢、電流波形無刷直流電機的磁場、電勢、電流波形特種電機及其控制40 假設(shè)假設(shè) (1) (1) 電動機的氣隙磁感應(yīng)強度在空間呈梯形電動機的氣隙磁感應(yīng)強度在空間呈梯形( (近近 似為方波

16、似為方波) )分布；分布；(2) (2) 定子齒槽的影響忽略不計；定子齒槽的影響忽略不計；(3) (3) 電樞反應(yīng)對氣隙磁通的影響忽略不計；電樞反應(yīng)對氣隙磁通的影響忽略不計；(4) (4) 忽略電機中的磁滯和渦流損耗；忽略電機中的磁滯和渦流損耗； (5) 三相繞組完全對稱。三相繞組完全對稱。 特種電機及其控制41定子相繞組電壓定子相繞組電流定子相繞組自感、互感定子相繞組電動勢微分算子cbacbacbacbaeeeiiidtdLMMMLMMMLiiirrruuu000000特種電機及其控制42：ia+ib+ic=0Mia+Mib=-MicMib+Mic=-MiaMia+Mic=-Mibcbacb

17、acbacbaeeeiiidtdMLMLMLiiirrruuu000000000000特種電機及其控制43 r LM ec US VD1 VD4 VT1 VT4 VD5 VD2 VT3 VT6 VD3 VD6 VT5 VT2 r LM ea + - - + - - + - - ia ib ic r LM eb A B C 特種電機及其控制44 無刷直流電動機氣隙磁密及反電動勢波形如下圖所示無刷直流電動機氣隙磁密及反電動勢波形如下圖所示 特種電機及其控制45設(shè)電樞繞組導(dǎo)體的有效長度為設(shè)電樞繞組導(dǎo)體的有效長度為L La a，導(dǎo)體的線速度為，導(dǎo)體的線速度為v v，則，則單根導(dǎo)體在氣隙磁場中感應(yīng)的電動

18、勢為單根導(dǎo)體在氣隙磁場中感應(yīng)的電動勢為 (V) vLBea60260npnDv(m/s) 如電樞繞組每相串聯(lián)匝數(shù)為如電樞繞組每相串聯(lián)匝數(shù)為W ，則每相繞組的感應(yīng)電動，則每相繞組的感應(yīng)電動勢幅值為勢幅值為 nCnpWeWEeim152aiLB特種電機及其控制46 依據(jù)基爾霍夫定律，可得換相過程中的電路方程為依據(jù)基爾霍夫定律，可得換相過程中的電路方程為()0()0acMaaMccbcMbbMccSabcdidiLrieLriedtdtdidiLrieLrieUdtdtiii續(xù)流結(jié)束后，換相完成，電路方程變?yōu)椋豪m(xù)流結(jié)束后，換相完成，電路方程變?yōu)椋?0)(cbScccMbbbMiiUeridtdiLe

19、ridtdiL特種電機及其控制47 為了簡化分析，假設(shè)不考慮開關(guān)器件動作的過渡過程，并為了簡化分析，假設(shè)不考慮開關(guān)器件動作的過渡過程，并忽略電樞繞組的電感。這樣，無刷直流電動機的電壓方程忽略電樞繞組的電感。這樣，無刷直流電動機的電壓方程可以簡化為：可以簡化為： 22STaUUErI式中UT開關(guān)器件的管壓降；Ia 電樞電流； E 線電動勢，即電機的反電動勢。 特種電機及其控制48對于對于無刷直流電動機，任一時刻都有兩相繞無刷直流電動機，任一時刻都有兩相繞組導(dǎo)通，故電機的反電動勢為組導(dǎo)通，故電機的反電動勢為 2215meipWEEnCn式中Ce 電機的電動勢常數(shù)， iepWC152 rEUUITS

20、a22在任一時刻，電機的電磁轉(zhuǎn)矩由兩相繞組的合成磁場和在任一時刻，電機的電磁轉(zhuǎn)矩由兩相繞組的合成磁場和轉(zhuǎn)子磁場相互作用產(chǎn)生，則轉(zhuǎn)子磁場相互作用產(chǎn)生，則 42m aaeaTaipWE IEITICI特種電機及其控制49eaTSCrIUUn22pWUUpWUUCUUnTSiiTSeTS25 . 7152220ieepWCnEK152aiTaeTIpWCITK4特種電機及其控制5022222STaSTeeeeTUUrIUUrnTCCCC機械特性曲線 為為 rUUCICTTTstTst22特種電機及其控制51調(diào)節(jié)特性 調(diào)節(jié)特性的始動電壓和斜率分別為調(diào)節(jié)特性的始動電壓和斜率分別為TTeUCrTU220e

21、CK1特種電機及其控制52工作特性 :實驗值 ：設(shè)計值 120W樣機效率特性 特種電機及其控制53轉(zhuǎn)矩脈動定義為轉(zhuǎn)矩脈動定義為 maxmin100%rNTTTT(1)(1)電磁因素引起的轉(zhuǎn)矩脈動電磁因素引起的轉(zhuǎn)矩脈動(2)(2)換相引起的轉(zhuǎn)矩脈動換相引起的轉(zhuǎn)矩脈動 ；(3)(3)定子齒槽引起的轉(zhuǎn)矩脈動；定子齒槽引起的轉(zhuǎn)矩脈動；(4)(4)電樞反應(yīng)的影響電樞反應(yīng)的影響 ；(5)(5)機械工藝引起的轉(zhuǎn)矩脈動機械工藝引起的轉(zhuǎn)矩脈動 特種電機及其控制541.1.換相過程中的相電流和轉(zhuǎn)矩?fù)Q相過程中的相電流和轉(zhuǎn)矩 0)(0)(cbaSccMbbMccMaaMiiiUedtdiLedtdiLedtdiLed

22、tdiLmcbaEeeedtdidtdidtdibac0cbaiii由于由于又又得得特種電機及其控制55SmMaMmMaMUEdtdiLdtdiLEdtdiLdtdiL22022bb整理，得整理，得bc232 ()343aSmMSmMSmMd iUEd tLd iUEd tLd iUEd tL 特種電機及其控制56解上述微分方程組，并考慮各相電流的初值和終值為換相解上述微分方程組，并考慮各相電流的初值和終值為換相前后各相電流的穩(wěn)態(tài)值前后各相電流的穩(wěn)態(tài)值 ，得，得c232343SmaMSmbMSmMUEiItL(UE)itLUEiIL 特種電機及其控制5732MfSmLItUE32()MfSmL

23、 ItUE特種電機及其控制58特種電機及其控制59此時此時令令ia(tf )0，得，得ia降為零的時間降為零的時間tf 32MfSmL ItUE 特種電機及其控制60特種電機及其控制612mecETi 24()3mSmeMEUETItL1()em am bm cTE iE iE i特種電機及其控制62在非換相時，即每個導(dǎo)通狀態(tài)內(nèi)，電機的電磁轉(zhuǎn)矩為在非換相時，即每個導(dǎo)通狀態(tài)內(nèi)，電機的電磁轉(zhuǎn)矩為特種電機及其控制63特種電機及其控制64 磁敏式位置傳感器磁敏式位置傳感器 霍爾元件霍爾元件 電磁式位置信感器電磁式位置信感器 高頻線圈高頻線圈 光電式位置信感器光電式位置信感器 光耦合器件光耦合器件特種電

24、機及其控制65置于磁場中的載流體，如果電流方向與磁場垂直，則置于磁場中的載流體，如果電流方向與磁場垂直，則在垂直于電流和磁場的方向會產(chǎn)生一附加的橫向電場，在垂直于電流和磁場的方向會產(chǎn)生一附加的橫向電場，這個現(xiàn)象是霍普金斯大學(xué)研究生霍爾于這個現(xiàn)象是霍普金斯大學(xué)研究生霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)的，年發(fā)現(xiàn)的，后被稱為后被稱為?；魻柶骷曰魻栃?yīng)為其工作基礎(chǔ)，是一種磁傳感器?；魻柶骷曰魻栃?yīng)為其工作基礎(chǔ)，是一種磁傳感器。可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關(guān)的場合可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關(guān)的場合中使用。中使用?；魻杺鞲衅髦饕袃纱箢悾活悶榛魻杺鞲衅髦饕袃纱箢?，一類為，一類為，一類為線性

25、霍爾器件線性霍爾器件。特種電機及其控制66Hall IC霍爾元件磁電轉(zhuǎn)換霍爾元件磁電轉(zhuǎn)換Hall IC霍爾元件功能方框圖霍爾元件功能方框圖特種電機及其控制67第一種方式：第一種方式：將霍爾元件粘貼于電機端蓋內(nèi)表面，將霍爾元件粘貼于電機端蓋內(nèi)表面，靠近霍爾元件并與之有一小間隙處，安裝著與電靠近霍爾元件并與之有一小間隙處，安裝著與電機軸同軸的永磁體。機軸同軸的永磁體。第二種方式：第二種方式：直接將霍爾元件敷貼在定子電樞鐵心直接將霍爾元件敷貼在定子電樞鐵心氣隙表面或繞組端部緊靠鐵心處，利用電機轉(zhuǎn)子上氣隙表面或繞組端部緊靠鐵心處，利用電機轉(zhuǎn)子上的稀土磁體主極作為傳感器的水滋體，根據(jù)霍爾元的稀土磁體主極

26、作為傳感器的水滋體，根據(jù)霍爾元件的輸出信號即可判斷轉(zhuǎn)子磁極的位置，將信號放件的輸出信號即可判斷轉(zhuǎn)子磁極的位置，將信號放大處理后便可驅(qū)動逆變器工作。大處理后便可驅(qū)動逆變器工作。特種電機及其控制681、三個霍爾元件在、三個霍爾元件在空間依次相差空間依次相差120o電電角度角度2、傳感器磁極與轉(zhuǎn)、傳感器磁極與轉(zhuǎn)子磁極同軸旋轉(zhuǎn)、極子磁極同軸旋轉(zhuǎn)、極數(shù)相等、極性相對應(yīng)數(shù)相等、極性相對應(yīng)特種電機及其控制69的定子由磁芯、高頻激磁繞組和輸出繞組組成，轉(zhuǎn)子由扇形磁芯和非導(dǎo)磁襯套組成定、轉(zhuǎn)子磁芯均由高頻導(dǎo)磁材料(如軟磁鐵氧體)制成。電機運行時，輸入繞組中通以高頻激磁電流，當(dāng)轉(zhuǎn)子扇形磁芯處在輸出繞組下面時，輸入和

27、輸出繞組通過定、轉(zhuǎn)子磁芯耦臺，輸出繞組中則感應(yīng)出高頻信號，經(jīng)濾波整形和邏輯處理后，即可控制逆變器開關(guān)管。特種電機及其控制70電磁式傳感器具有較高的強度，可經(jīng)受較大的振動沖擊，故多用于航空航天領(lǐng)域。電磁式位置傳感器輸出信號較大，一般不需要經(jīng)過放大便可直接驅(qū)動開關(guān)管，但因輸出電壓是交流，必須先整流。傳感器過于笨重復(fù)雜，因而大大限制了其在普通條件下的應(yīng)用。特種電機及其控制71(a) 光電傳感器電路原理圖 (b) 4極電機所用的遮光盤 對于無刷直流電動機，三個光電開關(guān)在空間依次相差120電角度，光電開關(guān)與電樞繞組的相對位置以及遮光盤與轉(zhuǎn)子磁極的相對位置類似于霍爾位置傳感器。 是由裝在電機轉(zhuǎn)子上的遮光盤

28、和固定不動的光電開關(guān)組成的，其原理如圖 (a)所示。遮光盤上開有180電角度的扇形開口，扇形開口的數(shù)目等于無刷直流電動機轉(zhuǎn)子磁極的極對數(shù)，4極電機所用遮光盤如圖 (b)所示；光電開關(guān)通常采用將發(fā)光二極管和光敏三極管封裝在一起的光斷續(xù)器。 特種電機及其控制72反電動勢檢測法反電動勢檢測法續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測法續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測法定子三次諧波檢測法定子三次諧波檢測法瞬時電壓方程法瞬時電壓方程法特種電機及其控制731. 用端電壓法檢測反電動勢過零點用端電壓法檢測反電動勢過零點 ib r LM ec US VD1 VD4 VT1 VT4 VD5 VD2 VT3 VT6 VD3 VD6 VT5 V

29、T2 r LM ea + - - + - - + - - ia N r LM eb A B C A、B相導(dǎo)通時的電流回路圖 特種電機及其控制74000aaaMaNbbbMbNcccMcNdiui rLeudtdiui rLeudtdiui rLeudt)(31)(31)(3100000000bb0000cbacccbacbaaauuuueuuuueuuuue特種電機及其控制75)(21)(21)(21000000000bacccabbcbaauuueuuueuuueSccSbbSaaUueUueUue212121000特種電機及其控制76 特種電機及其控制772. 用相電壓法檢測反電動勢過零點

30、用相電壓法檢測反電動勢過零點 反電動勢的檢測方程組為 bbccaaeueueu特種電機及其控制78特種電機及其控制79 逆逆變變器器 - - US + 位位置置檢檢測測器器 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速計計算算 邏邏輯輯控控制制 ASR 正正反反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)控控制制 ACR PWM 邏邏輯輯“與與” 放放大大 驅(qū)驅(qū)動動 n* n - - + + i* - - i BLDCM 特種電機及其控制80PID(比例、積分、微分比例、積分、微分)控制算法常用于需要對變化的控制算法常用于需要對變化的條件進行校正的閉環(huán)控制系統(tǒng)。條件進行校正的閉環(huán)控制系統(tǒng)。 001()tPDIdeuK eedt TuTdt22DkPkkkIPkIkDk

31、TTuKeeeTTKeK eKe特種電機及其控制81(1) on_pwm型型 -60 0 60 120 180 240 300 360 VT1 VT4 VT3 VT6 VT5 VT2 t t t t t t 特種電機及其控制82 -60 0 60 120 180 240 300 360 VT1 VT4 VT3 VT6 VT5 VT2 t t t t t t 特種電機及其控制83在各自的在各自的120120 導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)，上橋臂功率開關(guān)通過導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)，上橋臂功率開關(guān)通過PWMPWM調(diào)制、下橋臂開關(guān)管恒通。調(diào)制、下橋臂開關(guān)管恒通。 -60 0 60 120 180 240 300 360 VT1 V

32、T4 VT3 VT6 VT5 VT2 t t t t t t 特種電機及其控制84 -60 0 60 120 180 240 300 360 VT1 VT4 VT3 VT6 VT5 VT2 t t t t t t 特種電機及其控制85由于功率開關(guān)管只能單向?qū)ǎ杂捎诠β书_關(guān)管只能單向?qū)?，所以BLDCM反轉(zhuǎn)不能靠通以反向電壓實反轉(zhuǎn)不能靠通以反向電壓實現(xiàn)。只有靠控制繞組的導(dǎo)通順序來實現(xiàn)。只有靠控制繞組的導(dǎo)通順序來實現(xiàn)。現(xiàn)。Hall ICPMPM特種電機及其控制86正轉(zhuǎn)時相互位置關(guān)系正轉(zhuǎn)時相互位置關(guān)系uha=uhb=1uhc=0AB導(dǎo)通導(dǎo)通uha=uhc=0uhb=1AC導(dǎo)通導(dǎo)通特種電機及其控

33、制87特種電機及其控制88反轉(zhuǎn)時相互位置關(guān)系反轉(zhuǎn)時相互位置關(guān)系uhb=uhc=1uha=0BC導(dǎo)通導(dǎo)通uha=uhc=0uhb=1AC導(dǎo)通導(dǎo)通特種電機及其控制89特種電機及其控制90特種電機及其控制91特種電機及其控制921 1、 開關(guān)主電路開關(guān)主電路特種電機及其控制93濾波電路濾波電路實現(xiàn)直流電源的低通濾波，形成低內(nèi)阻硬持性直流電壓源，同時與繞組感性負(fù)載交換無功功率，其功能由大電容C2實現(xiàn)緩沖電路緩沖電路是為減少開關(guān)管承受的尖峰電壓。由R3、C3、D7組成RDC緩沖電路。緩沖電容C3應(yīng)選用高頻特性好的無感電容，D7應(yīng)選擇過渡正向電壓低、反向恢復(fù)時間短的快速恢復(fù)二極管。逆變電路：逆變電路：功率

34、開關(guān)管T1T6、續(xù)流二極管D1D6功率開關(guān)管TlT6通常為GTR、功率MOSFET、IGBT、GTO以及MCT等功率電子器件，也可以為功率集成電路PIC或智能功率模塊IPM特種電機及其控制94 驅(qū)動電路驅(qū)動電路將控制電路的輸出信號進行功率放將控制電路的輸出信號進行功率放大，并向各開關(guān)管送去能使其飽和導(dǎo)通和可大，并向各開關(guān)管送去能使其飽和導(dǎo)通和可靠關(guān)斷的驅(qū)動信號?？筷P(guān)斷的驅(qū)動信號。驅(qū)動電路的工作方式直接影響著開關(guān)管的一驅(qū)動電路的工作方式直接影響著開關(guān)管的一些參數(shù)和特性，從而影響著整個電機控制系些參數(shù)和特性，從而影響著整個電機控制系統(tǒng)的正常工作。統(tǒng)的正常工作。開關(guān)管的種類不同，對驅(qū)動信號的要求也不

35、開關(guān)管的種類不同，對驅(qū)動信號的要求也不同，因而對應(yīng)的驅(qū)動電路也不同。同，因而對應(yīng)的驅(qū)動電路也不同。特種電機及其控制95常見集成驅(qū)動電路常見集成驅(qū)動電路特種電機及其控制96控制電路是無刷直流電動機正常運行并實現(xiàn)各種調(diào)速控制電路是無刷直流電動機正常運行并實現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心，它主要完成以下功能：伺服功能的指揮中心，它主要完成以下功能：1)對轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號、對轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號、PWM調(diào)制信號、正調(diào)制信號、正反轉(zhuǎn)和停車反轉(zhuǎn)和停車信號進行邏輯綜合信號進行邏輯綜合, 給驅(qū)動電路提供各開關(guān)給驅(qū)動電路提供各開關(guān)管的斬波和選通信號管的斬波和選通信號, 實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)及停車控制。實現(xiàn)

36、電機的正反轉(zhuǎn)及停車控制。2)產(chǎn)生產(chǎn)生PWM調(diào)制信號，使電機的電壓隨給定速度信號調(diào)制信號，使電機的電壓隨給定速度信號而自動變化，實現(xiàn)電機開環(huán)調(diào)速。而自動變化，實現(xiàn)電機開環(huán)調(diào)速。3)對電動機進行速度閉環(huán)調(diào)節(jié)和電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，使系對電動機進行速度閉環(huán)調(diào)節(jié)和電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)具有較好的動態(tài)和靜態(tài)性能。統(tǒng)具有較好的動態(tài)和靜態(tài)性能。4)實現(xiàn)短路、過流和欠壓等故障保護功能等。實現(xiàn)短路、過流和欠壓等故障保護功能等。特種電機及其控制97控制電路的形式控制電路的形式:1、分立元件全模擬電路、分立元件全模擬電路經(jīng)濟型經(jīng)濟型2、專用集成控制電路、專用集成控制電路 規(guī)模化、專用規(guī)?；?、專用3、數(shù)?；旌峡刂齐娐贰?shù)?；旌?/p>

37、控制電路 半數(shù)字化半數(shù)字化 (PID)4、全數(shù)字控制電路、全數(shù)字控制電路 高性能高性能(MCU DSP)特種電機及其控制98 特種電機及其控制99 特種電機及其控制100 特種電機及其控制101具有具有PWM 開環(huán)速度控制、使能控制開環(huán)速度控制、使能控制(起動或停止起動或停止)、正反轉(zhuǎn)控制和能耗制動控制等功能正反轉(zhuǎn)控制和能耗制動控制等功能 在外圍加少許元件，便可以實現(xiàn)軟起動，調(diào)試及檢在外圍加少許元件，便可以實現(xiàn)軟起動，調(diào)試及檢測非常方便測非常方便 內(nèi)部有鋸齒波振蕩器，頻率可以根據(jù)需要進行設(shè)定內(nèi)部有鋸齒波振蕩器，頻率可以根據(jù)需要進行設(shè)定 具有過流保護、欠壓保護、過熱保護功能具有過流保護、欠壓保護

38、、過熱保護功能 20腳塑封封裝，內(nèi)部帶有溫度補償基準(zhǔn)電源和轉(zhuǎn)子腳塑封封裝，內(nèi)部帶有溫度補償基準(zhǔn)電源和轉(zhuǎn)子位置傳感器譯碼電路位置傳感器譯碼電路 特種電機及其控制102 特種電機及其控制103 特種電機及其控制104 特種電機及其控制105片內(nèi)含有片內(nèi)含有PWM轉(zhuǎn)速控制電路，根據(jù)參考值進行變轉(zhuǎn)速控制電路，根據(jù)參考值進行變速控制。速度環(huán)由片內(nèi)放大器控制，速度信號的檢速控制。速度環(huán)由片內(nèi)放大器控制，速度信號的檢測通過監(jiān)測測通過監(jiān)測VCO(壓控振蕩器壓控振蕩器)的輸出來完成的輸出來完成 采用專門的起動技術(shù)，起動順序為：檢測位置、驅(qū)采用專門的起動技術(shù)，起動順序為：檢測位置、驅(qū)動、加速、設(shè)定速度；起動速度快

39、，起動時無反轉(zhuǎn)動、加速、設(shè)定速度；起動速度快，起動時無反轉(zhuǎn) 只用一個外部電阻就可調(diào)節(jié)和設(shè)定所有臨界電流只用一個外部電阻就可調(diào)節(jié)和設(shè)定所有臨界電流 可直接驅(qū)動可直接驅(qū)動12V電機的場效應(yīng)管；也可用高端電機的場效應(yīng)管；也可用高端(對對應(yīng)逆變器的上橋臂應(yīng)逆變器的上橋臂)柵極驅(qū)動器驅(qū)動高壓電機；可柵極驅(qū)動器驅(qū)動高壓電機；可直接驅(qū)動外部場效應(yīng)管的柵極且確保其不被擊穿直接驅(qū)動外部場效應(yīng)管的柵極且確保其不被擊穿 由壓控振蕩器由壓控振蕩器(VCO)、反電動勢取樣誤差放大器和、反電動勢取樣誤差放大器和順序器構(gòu)成鎖相環(huán)，利用鎖相技術(shù)實現(xiàn)三相無刷直順序器構(gòu)成鎖相環(huán)，利用鎖相技術(shù)實現(xiàn)三相無刷直流電動機的閉環(huán)換相流電動

40、機的閉環(huán)換相 特種電機及其控制106 特種電機及其控制107特種電機及其控制108 特種電機及其控制109可以實現(xiàn)較復(fù)雜的控制可以實現(xiàn)較復(fù)雜的控制 提高了控制的靈活性和適應(yīng)性提高了控制的靈活性和適應(yīng)性 無零點漂移，控制精度高無零點漂移，控制精度高 可提供人機界面，多機聯(lián)網(wǎng)工作可提供人機界面，多機聯(lián)網(wǎng)工作 使電路更簡單使電路更簡單 特種電機及其控制110 特種電機及其控制111特種電機及其控制112特種電機及其控制113 速速度度給給定定 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向向設(shè)設(shè)定定 ACH0 WG1 WG1 WG2 WG2 WG3 WG3 柵柵極極 驅(qū)驅(qū)動動 電電路路 IR2130 IGBT 位位置置傳傳感感器器 P0.1 逆逆 變變 器器 BLDCM EPA P0.2 P0.3 P0.4 80C196MC 過過電電壓壓、過過電