無刷直流電機(jī)運(yùn)行原理與基本控制方法

1、1主主 要要 內(nèi)內(nèi) 容容一、幾個術(shù)語解釋一、幾個術(shù)語解釋（極對數(shù)、相數(shù)、電角度、電角頻率、（極對數(shù)、相數(shù)、電角度、電角頻率、相電壓、線電壓、反電動勢）相電壓、線電壓、反電動勢）二、無刷直流電機(jī)的運(yùn)行原理二、無刷直流電機(jī)的運(yùn)行原理（運(yùn)行原理、數(shù)學(xué)模型）（運(yùn)行原理、數(shù)學(xué)模型）三、無刷直流電機(jī)的基本控制方法三、無刷直流電機(jī)的基本控制方法（各參數(shù)相互關(guān)系、換流過程與換流模式）（各參數(shù)相互關(guān)系、換流過程與換流模式）四、車用無刷直流電機(jī)及其控制系統(tǒng)四、車用無刷直流電機(jī)及其控制系統(tǒng)（基本控制、弱磁控制）（基本控制、弱磁控制）2幾個術(shù)語解釋幾個術(shù)語解釋 極對數(shù)（極對數(shù)（ ）：電機(jī)轉(zhuǎn)子中）：電機(jī)轉(zhuǎn)子中N-S極的

2、對數(shù)，極的對數(shù)，2，3，4， 相數(shù)（相數(shù)（ ）：電機(jī)繞組個數(shù)，）：電機(jī)繞組個數(shù)，3，6，12， 電角度（電角度（ ）/機(jī)械角度（機(jī)械角度（ ）：）： 電角頻率（電角頻率（ ）/機(jī)械角頻率（機(jī)械角頻率（ ）：）： 電角頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速（電角頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速（ ）：）： 極（極（2p）槽（）槽（Z）配合：）配合：Z/2p 相電壓：電機(jī)相繞組對電機(jī)中性點(diǎn)電壓相電壓：電機(jī)相繞組對電機(jī)中性點(diǎn)電壓 線電壓：電機(jī)兩相繞組之間電壓線電壓：電機(jī)兩相繞組之間電壓 反電動勢：電機(jī)到拖時某一轉(zhuǎn)速下對應(yīng)電機(jī)線電壓峰值反電動勢：電機(jī)到拖時某一轉(zhuǎn)速下對應(yīng)電機(jī)線電壓峰值eep2mn pe pepne60dtee3幾個術(shù)語解釋幾個

3、術(shù)語解釋4無刷直流電機(jī)的組成無刷直流電機(jī)的組成t無刷直流電機(jī)組成部分：無刷直流電機(jī)組成部分：電機(jī)本體、位置傳感器、電機(jī)本體、位置傳感器、電子開關(guān)線路；電子開關(guān)線路； t電機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上與永磁電機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電動機(jī)相似；同步電動機(jī)相似；t電子開關(guān)線路由功率邏輯電子開關(guān)線路由功率邏輯開關(guān)單元和位置傳感器信開關(guān)單元和位置傳感器信號處理單元兩部分組成；號處理單元兩部分組成；t電子開關(guān)線路導(dǎo)通次序是電子開關(guān)線路導(dǎo)通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，起機(jī)與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，起機(jī)械換向器的換向作用。械換向器的換向作用。5120120度導(dǎo)通時轉(zhuǎn)子位置與電流換相關(guān)系度導(dǎo)通時轉(zhuǎn)子位置與電流換相關(guān)系a) 0a) 0度

4、（換相前）度（換相前）b) 0b) 0度（換相后）度（換相后）c) 60c) 60度（換相前）度（換相前）d) 60d) 60度（換相后）度（換相后）e) 120e) 120度（換相前）度（換相前）f) 120f) 120度（換相后）度（換相后）6HALLHALL狀態(tài)與狀態(tài)與PWMPWM、三相反電勢和三相、三相反電勢和三相相電流的對應(yīng)關(guān)系相電流的對應(yīng)關(guān)系120 無刷直流電機(jī)的電無刷直流電機(jī)的電流和感應(yīng)電動勢具有以流和感應(yīng)電動勢具有以下特點(diǎn)：下特點(diǎn)：（1 1）感應(yīng)電動勢為）感應(yīng)電動勢為三相對稱的梯形波，其三相對稱的梯形波，其波頂寬為波頂寬為（2 2）電流為三相對）電流為三相對稱的方波；稱的方波；

5、（3 3）梯形波反電勢）梯形波反電勢與方波電流在相位上嚴(yán)與方波電流在相位上嚴(yán)格同步。格同步。7無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 采用理想化的直流無刷電機(jī)用狀態(tài)方采用理想化的直流無刷電機(jī)用狀態(tài)方程表示的數(shù)學(xué)模型，電流為理想的方波，程表示的數(shù)學(xué)模型，電流為理想的方波，反電勢為理想的梯形波，并作如下假設(shè)：反電勢為理想的梯形波，并作如下假設(shè)：（1）不計(jì)磁路飽和；）不計(jì)磁路飽和；（2）電機(jī)渦流損耗和磁滯損耗；）電機(jī)渦流損耗和磁滯損耗；（3）忽略定子電流的電樞反應(yīng)；）忽略定子電流的電樞反應(yīng)；（4）定子繞組采用）定子繞組采用Y形接法。形接法。CBACBACBACBAeeeiiiMLMLMLpii

6、iRRRuuu000000000000無刷直流電機(jī)的等效電路無刷直流電機(jī)的等效電路8無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型ONONONCBACBACBACNBNANuuueeeiiiMLMLMLpiiiRRRuuu0000000000003CBACNBNANONeeeeeeuCCBBAArnemieieiepTrrrnLemfdtdJpTT19無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 在任何時刻，定子上只有兩相同時導(dǎo)通，且導(dǎo)通相的定子在任何時刻，定子上只有兩相同時導(dǎo)通，且導(dǎo)通相的定子電流幅值保持不變：電流幅值保持不變：IEpieieiepTrnCCBBAArnem2rgrlBNEIK

7、IrlBNTMgem 2lrNBKgM2稱為轉(zhuǎn)矩系數(shù)稱為轉(zhuǎn)矩系數(shù) 10無刷直流電機(jī)的電路模型無刷直流電機(jī)的電路模型逆變器逆變器永磁無刷電機(jī)系統(tǒng)示意圖永磁無刷電機(jī)系統(tǒng)示意圖 dUdC61 TT61 DD61 TT為直流電源（為直流電源（V V）；）；為中間直流回路支撐為中間直流回路支撐（濾波）電容（濾波）電容（F F）；）； 為為6 6個功率開關(guān)管；個功率開關(guān)管；為為6 6個續(xù)流二極管；個續(xù)流二極管；采用采用120120的兩兩導(dǎo)通方式的兩兩導(dǎo)通方式，對，對 分別在各自分別在各自120120導(dǎo)通時間內(nèi)根據(jù)不同導(dǎo)通時間內(nèi)根據(jù)不同的調(diào)制方式進(jìn)行的調(diào)制方式進(jìn)行PWMPWM調(diào)制。調(diào)制。11無刷直流電機(jī)的相

8、電流分析無刷直流電機(jī)的相電流分析12無刷直流電機(jī)的換相電流無刷直流電機(jī)的換相電流t0ftAiBiCisIsIit0ftAiBiCiftsIsIit0AiBiftftCisIsIitLEUIiMsdcsA32tLEUiMsdcB3)(2tLEUIiMsdcsC3413無刷直流電機(jī)的反電動勢無刷直流電機(jī)的反電動勢14無刷直流電機(jī)的換流模式無刷直流電機(jī)的換流模式（1 1） pwm-onpwm-on型調(diào)制方式型調(diào)制方式 （2 2）on-pwmon-pwm型調(diào)制方式型調(diào)制方式 15無刷直流電機(jī)的換流模式無刷直流電機(jī)的換流模式（3 3）H_on-L_pwmH_on-L_pwm型調(diào)制方式型調(diào)制方式 （4 4

9、）H_pwm-L_onH_pwm-L_on型調(diào)制方式型調(diào)制方式16無刷直流電機(jī)的換流模式無刷直流電機(jī)的換流模式（5 5）L_pwm-H_pwmL_pwm-H_pwm型調(diào)制方式型調(diào)制方式 （6 6）on-onon-on型調(diào)制方式型調(diào)制方式17無刷直流電機(jī)的無刷直流電機(jī)的仿真結(jié)果仿真結(jié)果（1 1）pwm-onpwm-on型調(diào)制方式型調(diào)制方式 （2 2）on-pwmon-pwm型調(diào)制方式型調(diào)制方式18無刷直流電機(jī)的換流模式無刷直流電機(jī)的換流模式（3 3）H_on-L_pwmH_on-L_pwm型調(diào)制方式型調(diào)制方式 （4 4）H_pwm-L_onH_pwm-L_on型調(diào)制方式型調(diào)制方式19無刷直流電機(jī)

10、的換流模式無刷直流電機(jī)的換流模式（5 5）L_on-H_pwmL_on-H_pwm型調(diào)制方式型調(diào)制方式調(diào)制方式調(diào)制方式轉(zhuǎn)矩脈動仿真結(jié)果轉(zhuǎn)矩脈動仿真結(jié)果上橋上橋下橋下橋pwm-onpwm-on20202020on-pwmon-pwm30303030H_pwm-L_onH_pwm-L_on18.518.537.537.5H_on-L_pwmH_on-L_pwm33.833.815.415.4H_pwm-L_pwmH_pwm-L_pwm42.4%42.4%42.4%42.4%20無刷直流電機(jī)的換流模式無刷直流電機(jī)的換流模式（1）采用）采用pwm-on方式時，下橋換相和上橋換相的換相轉(zhuǎn)矩脈動相等，且最

11、??；非方式時，下橋換相和上橋換相的換相轉(zhuǎn)矩脈動相等，且最??；非換向相電流脈動也是最小的；換向相電流脈動也是最小的；（2）采用）采用on-pwm方式時，下橋和上橋換相轉(zhuǎn)矩脈動相等且比方式時，下橋和上橋換相轉(zhuǎn)矩脈動相等且比pwm-on方式大，非換方式大，非換向相電流脈動也比向相電流脈動也比pwm-on方式時大。方式時大。（3）采用）采用H_pwm-L_on方式時，下橋換相轉(zhuǎn)矩脈動和非換向相電流脈動大且與方式時，下橋換相轉(zhuǎn)矩脈動和非換向相電流脈動大且與on-pwm方式時的轉(zhuǎn)矩脈動和電流脈動相等，上橋換相轉(zhuǎn)矩脈動和非換向相電流脈動小方式時的轉(zhuǎn)矩脈動和電流脈動相等，上橋換相轉(zhuǎn)矩脈動和非換向相電流脈動小且

12、與且與pwm-on方式時的轉(zhuǎn)矩脈動和電流脈動相等。方式時的轉(zhuǎn)矩脈動和電流脈動相等。（4）采用）采用H_on-L_pwm方式時，下橋換相轉(zhuǎn)矩脈動和非換向相電流脈動小且與方式時，下橋換相轉(zhuǎn)矩脈動和非換向相電流脈動小且與pwm-on方式時的轉(zhuǎn)矩脈動和電流脈動相等，上橋換相轉(zhuǎn)矩脈動和非換向相電流脈動方式時的轉(zhuǎn)矩脈動和電流脈動相等，上橋換相轉(zhuǎn)矩脈動和非換向相電流脈動大且與大且與on-pwm方式時的轉(zhuǎn)矩脈動和電流脈動相等。方式時的轉(zhuǎn)矩脈動和電流脈動相等。（5）采用）采用H_pwm-L_pwm方式時，換相轉(zhuǎn)矩脈動最大且非換向相電流脈動也最大。方式時，換相轉(zhuǎn)矩脈動最大且非換向相電流脈動也最大。21無刷直流電機(jī)

13、的電路模型無刷直流電機(jī)的電路模型16TT21TT32TT43TT54TT65TTHALLHALL狀態(tài)狀態(tài)101101100100110110010010011011001001導(dǎo)通功率管導(dǎo)通功率管22單側(cè)調(diào)制下橋臂換向過程分析單側(cè)調(diào)制下橋臂換向過程分析T1T1、T2T2同時導(dǎo)通同時導(dǎo)通T1T1關(guān)斷、關(guān)斷、T2T2導(dǎo)通導(dǎo)通23單側(cè)調(diào)制上橋臂換向過程分析單側(cè)調(diào)制上橋臂換向過程分析T2T2、T3T3同時導(dǎo)通同時導(dǎo)通T3T3關(guān)斷、關(guān)斷、T2T2導(dǎo)通導(dǎo)通24雙側(cè)調(diào)制下橋臂換向過程分析雙側(cè)調(diào)制下橋臂換向過程分析T1T1、T2T2同時導(dǎo)通同時導(dǎo)通T1T1、T2T2同時關(guān)斷同時關(guān)斷25雙側(cè)調(diào)制上橋臂換向過程分

14、析雙側(cè)調(diào)制上橋臂換向過程分析T2T2、T3T3同時導(dǎo)通同時導(dǎo)通T2T2、T3T3同時關(guān)斷同時關(guān)斷26t功率管開通，轉(zhuǎn)矩脈動相同；功率管開通，轉(zhuǎn)矩脈動相同；t功率管關(guān)斷，單側(cè)調(diào)制轉(zhuǎn)矩脈動大于雙側(cè)調(diào)制轉(zhuǎn)矩脈動；功率管關(guān)斷，單側(cè)調(diào)制轉(zhuǎn)矩脈動大于雙側(cè)調(diào)制轉(zhuǎn)矩脈動；t單側(cè)調(diào)制存在相見續(xù)流現(xiàn)象，換相時間長；單側(cè)調(diào)制存在相見續(xù)流現(xiàn)象，換相時間長；t雙側(cè)調(diào)制引入直流母線電壓到續(xù)流回路，產(chǎn)生反電壓，換相雙側(cè)調(diào)制引入直流母線電壓到續(xù)流回路，產(chǎn)生反電壓，換相時間短；時間短；t單側(cè)調(diào)制較雙側(cè)調(diào)制損耗小。單側(cè)調(diào)制較雙側(cè)調(diào)制損耗小。不同調(diào)制方式的轉(zhuǎn)矩脈動對比分析不同調(diào)制方式的轉(zhuǎn)矩脈動對比分析27無刷直流電機(jī)的相電流分析無

15、刷直流電機(jī)的相電流分析28無刷直流電機(jī)的相電流分析無刷直流電機(jī)的相電流分析29無刷直流電機(jī)的相電流分析無刷直流電機(jī)的相電流分析30無刷直流電機(jī)的相電流分析無刷直流電機(jī)的相電流分析31無刷直流電機(jī)的無刷直流電機(jī)的制動控制制動控制212ddTRLOddUUdO112212dOddOLTRdLUU升壓斬波器原理升壓斬波器原理32無刷直流電機(jī)的無刷直流電機(jī)的制動控制制動控制4T4T6T6T2T2THALL狀態(tài)101100110010011001導(dǎo)通功率管33無刷直流電機(jī)的無刷直流電機(jī)的制動控制制動控制T4T4開通時電流流向開通時電流流向 T4T4關(guān)斷時的電流流向關(guān)斷時的電流流向34無刷直流電機(jī)的無刷直

16、流電機(jī)的制動控制制動控制T6T6開通時電流流向開通時電流流向 T6T6關(guān)斷時的電流流向關(guān)斷時的電流流向35無刷直流電機(jī)的無刷直流電機(jī)的制動控制制動控制HALL狀態(tài)101100110010011001導(dǎo)通功率管16TT21TT32TT43TT54TT65TT36無刷直流電機(jī)的無刷直流電機(jī)的制動控制制動控制T3、T4關(guān)斷時電流流向關(guān)斷時電流流向 T4、T5導(dǎo)通時的電流流向?qū)〞r的電流流向37無刷直流電機(jī)的無刷直流電機(jī)的制動控制制動控制T4T4、T5T5關(guān)斷時電流流向（關(guān)斷時電流流向（i iB B00）T4T4、T5T5關(guān)斷時的電流流向（關(guān)斷時的電流流向（i iB B=0=0）38無刷直流電機(jī)的無刷直流電機(jī)的制動控制制動控制T3T3、T4T4關(guān)斷時電流流向關(guān)斷時電流流向 T4T4、T5T5導(dǎo)通時的電流流向?qū)〞r的電流流向39無刷直流電機(jī)的制動相電流分析無刷直流電機(jī)的制動相電流分析40無刷直流電機(jī)的無刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)rerArerArermmrerAAmmemikiKikiKT11電流閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)電流閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)41無刷直流電機(jī)的無刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)依據(jù)轉(zhuǎn)速控制弱磁角度依據(jù)轉(zhuǎn)速控制弱磁角度轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制