稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)ppt課件

1、電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所7.1.1 7.1.1 稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)l結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單l性能優(yōu)良l運(yùn)行可靠l維護(hù)方便電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所運(yùn)用場(chǎng)合運(yùn)用場(chǎng)合l自動(dòng)化伺服與驅(qū)動(dòng)l家用電器l計(jì)算機(jī)外設(shè)l汽車電器l電動(dòng)車輛驅(qū)動(dòng)電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所一、基本組成一、基本組成l 稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本構(gòu)成包括電動(dòng)機(jī)本體、控制器和轉(zhuǎn)子位置傳感器三部分，如圖31所示：電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所圖51 永磁無刷直流電機(jī)的組成電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所永永 磁磁 無無 刷刷 直直 流流 電電 機(jī)機(jī) 本本 體體l定 子 多 為 三 相 結(jié)

2、構(gòu)，繞組為分布式或集中式，Y接。l永磁轉(zhuǎn)子多用釹鐵硼等稀土永磁材料，瓦片型永磁體直接粘貼在轉(zhuǎn)子鐵心上，故其氣隙磁場(chǎng)在空間呈矩形分布。（見圖52）圖52 四極永磁無刷直流電機(jī)本體電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所控制器控制器( (功率電子開關(guān)功率電子開關(guān)) )l用于給電機(jī)定子各相繞組在一定的時(shí)刻通以一定時(shí)間長(zhǎng)短的恒定直流電流，以便與轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生持續(xù)不斷的恒定轉(zhuǎn)矩。l一般采用 GTR、MOSFET，較大容量電機(jī)采用 IGBT或IPM模塊。l功率電子開關(guān)可以是半橋式，但多為三相橋式結(jié)構(gòu)，與三相直交逆變器結(jié)構(gòu)十分相似，但各橋臂元件一般只在一個(gè)輸出頻率周期內(nèi)開、關(guān)一次，惟有三相下橋臂元件(VT4,

3、VT6,VT2)在開通時(shí)間內(nèi)還要進(jìn)行PWM調(diào)制,以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)壓調(diào)速。電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所轉(zhuǎn)子位置傳感器轉(zhuǎn)子位置傳感器1.電磁式位置傳感器 利用電磁效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)位置測(cè)量的傳感元件，有開口 變壓器、鐵磁諧振電路、接近開關(guān)等多種形式,其 中開口變壓器使用較多，其原理已在32中作過 介紹。電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所2. 磁敏式位置傳感器磁敏式位置傳感器l磁敏傳感器利用電流的磁效應(yīng)進(jìn)行工作，所組成的位置檢測(cè)器由與電機(jī)同軸安裝、具有與電機(jī)轉(zhuǎn)子同極數(shù)的永磁檢測(cè)轉(zhuǎn)子和多只空間均布的磁敏元件構(gòu)成。l目前常用的磁敏元件為霍爾元件或霍爾集成電路，它們?cè)诖艌?chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生霍爾電勢(shì)，經(jīng)整形、放大后即可輸出所需電

4、平信號(hào)，構(gòu)成了原始的位置信號(hào)。l圖 53為霍爾集成電路及其開關(guān)型輸出特性。l圖 54給出了一臺(tái)四極電機(jī)的霍爾位置檢測(cè)器完整結(jié)構(gòu)。電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所圖53 霍爾傳感器電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所圖54四極電機(jī)用霍爾位置檢測(cè)器電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所3. 光電式位置傳感器光電式位置傳感器l利用與電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸安裝、帶缺口旋轉(zhuǎn)園盤對(duì)光電元件進(jìn)行通、斷控制，以產(chǎn)生一系列反映轉(zhuǎn)子空間位置脈沖信號(hào)的檢測(cè)方式。l簡(jiǎn)單光電元件的結(jié)構(gòu)如圖55所示，由紅外發(fā)光二極管和光敏三極管構(gòu)成。圖55 光電式位置傳感元件結(jié)構(gòu)電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所4. 其它的位置傳感器其它的位置傳感器l除了以上三種位置傳感器

5、外，還有正、余弦旋轉(zhuǎn)變壓器和光電編碼器等其他位置傳感元件，但成本高、體積大、線路復(fù)雜，較少采用。l由于位置檢測(cè)器有機(jī)械安裝、維護(hù)及運(yùn)行可靠性等問題，近期來出現(xiàn)了無位置檢測(cè)器的運(yùn)行控制方式。它利用電機(jī)定子繞組反電勢(shì)作為轉(zhuǎn)子磁極的位置信號(hào)。電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所 工作原理以圖3-2、33來說明。圖3-2中VF為逆變器REPMM為稀土永磁電動(dòng)機(jī)本體，PS為與電動(dòng)機(jī)本體同軸相聯(lián)的轉(zhuǎn)子位置傳感器，控制電路對(duì)轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行邏輯變換后產(chǎn)生脈寬調(diào)制PWM信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路放大送至逆變器各功率開關(guān)管，從而控制電動(dòng)機(jī)各項(xiàng)繞組按一定順序工作，在電機(jī)氣隙中產(chǎn)生跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。二、工作原理二、工作原

6、理電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所l以二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)無刷直流電動(dòng)機(jī)為例來說明其工作原理。當(dāng)轉(zhuǎn)子稀土永磁體位于3-3(a)所示位置時(shí)，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出磁極位置信號(hào)，經(jīng)過控制電路邏輯變換后驅(qū)動(dòng)逆變器，使功率開關(guān)管V1、V6導(dǎo)通，及繞組A、B通電，A進(jìn)B出，電樞繞組在空間的合成磁勢(shì)Fa，如圖3-3(a)所示，此時(shí)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用拖動(dòng)轉(zhuǎn)子順時(shí)鐘轉(zhuǎn)動(dòng)。電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所電流流通路徑為：電源正極-V1管-A相繞組-B相繞組-V6管-電源負(fù)極。 依次類推,當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時(shí)鐘每轉(zhuǎn)過60度電角度時(shí)，功率開關(guān)的導(dǎo)通邏輯為：V3V2-V3V4V5V4-V5V6-V1V6

7、-V2V1圖3-3(b)為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過60度時(shí)轉(zhuǎn)子位置，則轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)始終受到定子合成磁場(chǎng)的作用并沿順時(shí)針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所稀土永磁方波電動(dòng)機(jī)基本公式稀土永磁方波電動(dòng)機(jī)基本公式 電樞繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e = LV (V )式中 氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度 L 導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度 V 導(dǎo)體相對(duì)于磁場(chǎng)的線速度：V= 電樞電流 電磁轉(zhuǎn)矩 其中 為轉(zhuǎn)矩常數(shù) B).(mNICTaTe)(22ArEUUIaaWpCiT4Bn60D*電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所 轉(zhuǎn)速 電勢(shì)系數(shù)與轉(zhuǎn)矩系數(shù) 電勢(shì)系數(shù)為： 轉(zhuǎn)矩系數(shù)為：min)/(22rCrIUUneaamin)/(152VWpKie)/.(4AmNWpKiT電力電

8、子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所三、運(yùn)行特性三、運(yùn)行特性電樞反應(yīng)的特點(diǎn)：電機(jī)負(fù)載時(shí)的電樞磁場(chǎng)對(duì)主磁場(chǎng)的影響稱為電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)與磁路的飽和程度、轉(zhuǎn)向、電樞繞組聯(lián)接方式、導(dǎo)通順序和磁狀態(tài)角的大小有關(guān)。兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)的電樞反應(yīng)形成兩相繞組的合成磁勢(shì)如圖311所示。電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn) 通常采用改變逆變器開關(guān)管的邏輯關(guān)系，使電樞繞組各相導(dǎo)通順序變化來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。為了使電機(jī)正反轉(zhuǎn)均能產(chǎn)生最大平均電磁轉(zhuǎn)矩并保證對(duì)稱運(yùn)行，必須精確設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子位置傳感器與轉(zhuǎn)子主磁極和定子各相繞組的相互位置關(guān)系，以及正確的邏輯關(guān)系，旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)電機(jī)正反轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)各相繞組導(dǎo)通

9、順序與三個(gè)霍爾器件輸出信號(hào)的邏輯關(guān)系如表34所示。電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所 位置傳感器采用三個(gè)霍爾元件沿圓周均勻分布粘貼于電機(jī)端蓋上，彼此相差120電角度，并分別與定子三相繞組首端所在槽中心線對(duì)齊，傳感器相互位置如圖312所示:電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所假設(shè)：忽略氣隙磁場(chǎng)諧波，認(rèn)為氣隙磁密沿氣隙圓周作正弦分布，即 (5-1) 式中 BM 氣隙磁密基波幅值 沿氣隙圓周度量的空間角度忽略電樞反應(yīng)對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響，由于永磁體導(dǎo)磁率低，這對(duì)面貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特別合適；各相繞組結(jié)構(gòu)對(duì)稱，主電路各單元完全一致。sinMBB 電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研

10、究所轉(zhuǎn)矩特性轉(zhuǎn)矩特性l分析表明，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極軸線從某相電樞繞組軸線轉(zhuǎn)過 30度的位置時(shí)導(dǎo)通該相繞組，由于自此位置開始的 1/3周期內(nèi)氣隙磁密最大，所產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)矩將最大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)最小，如圖 5-13所示。l習(xí)慣上將此時(shí)刻選作該相功率開關(guān)開始導(dǎo)通的基準(zhǔn)時(shí)刻，定義為換流超前角 00電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所l在 條件下導(dǎo)通時(shí)，三相半橋式永磁無刷直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩波形如圖 5-13所示，轉(zhuǎn)矩在 TM到TM/2之間波動(dòng)，其平均轉(zhuǎn)矩為 (5-2)式中：N 各相繞組有效導(dǎo)體數(shù) L 繞組導(dǎo)體總有效長(zhǎng)度 電機(jī)氣隙平均半徑 I 繞組電流幅值 00IRNLBTTdTTMMMMa6/56/827. 0 sin 2

11、3R電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所圖5-13 三相半橋式永磁無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所反電勢(shì)特性反電勢(shì)特性l在電磁轉(zhuǎn)矩作用下電機(jī)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)切割定子繞組感生反電勢(shì)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速 ，恒定時(shí)，反電勢(shì)波形正弦，與轉(zhuǎn)矩波形同相位，如圖 5-14所示。同理可求得反電勢(shì)平均值 (5-4) (5-5)nRNLBEEdEEMMMMa827. 0 sin 236/56/電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所圖5-14 三相半橋式永磁無刷直流電機(jī)各相反電勢(shì)波形電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所機(jī)械特性機(jī)械特性機(jī)械特性 特性曲線如圖315 min)/(222rTCCrCUUnemTeae電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控

12、制研究所調(diào)節(jié)特性：特性曲線如圖317UCTrUTema220eCK1調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所 電樞電流與輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系、電機(jī)效率和輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系如圖318所示： 工作特性工作特性電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所7.1.27.1.2永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所l永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)具有有刷直流電動(dòng)機(jī)那樣優(yōu)良的調(diào)速性能，卻沒有電刷和換向器，這主要是它用轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器替代了電刷，用電子換向電路(逆變器)替代了機(jī)械式換向器之故。因此永磁無刷直流電機(jī)的電子控制系統(tǒng)是這種電機(jī)不可缺少的必要組成部分，否則不能運(yùn)行，這是有別于其他調(diào)速電機(jī)之處。電力

13、電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所一、稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器一、稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器 開關(guān)主電路開關(guān)主電路 控制器包括開關(guān)主電路、驅(qū)動(dòng)電路和控制電路典型的開關(guān)主電路有整流電路、濾波電路、緩沖電路和逆變電路構(gòu)成原理圖如3-34:電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所 整流電路由變壓器TR1和整流橋BR1組成，將交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源。濾波電路由大電容C2實(shí)現(xiàn)，直流電源的低通濾波，形成低內(nèi)阻硬特性的直流電源，并與繞組感性負(fù)載交換無功功率。由R3、C3、D7組成的RDC緩沖電路可以減少開關(guān)管承受的尖峰電壓，提高主電路的可靠性，是開關(guān)管工作在安全區(qū)域。 逆變電路由功率開關(guān)管T1T6等組成，是開關(guān)主電路的核心

14、。說說 明明電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所二、稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器二、稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器 驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路l驅(qū)動(dòng)電路將控制電路的輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大，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(dòng)信號(hào)?，F(xiàn)在驅(qū)動(dòng)電路一般制成專用集成電路。圖3-35為一臺(tái)精密醫(yī)療儀器用的稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖。電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所電力電子與電機(jī)系統(tǒng)控制研究所三、稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器三、稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器 控制電路控制電路 控制電路是電機(jī)正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心，主要功能： 對(duì)轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號(hào)、PWM調(diào)制信號(hào)、正反轉(zhuǎn)信號(hào)和停車信號(hào)進(jìn)行邏輯綜合，以給驅(qū)動(dòng)電路提供各開關(guān)管的斬波信號(hào)和選通信號(hào)。產(chǎn)生PWM調(diào)制信號(hào)，使電機(jī)按