伺服系統(tǒng) 第2版 錢平 第5章 無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)新ppt課件

1、在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng)：在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng)：shangfuwang 更多課程配套課件資源請?jiān)L問在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng)更多課程配套課件資源請?jiān)L問在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng)無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)第 5 章內(nèi)容提要內(nèi)容提要n第一節(jié)第一節(jié) 無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和任務(wù)原理無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和任務(wù)原理n第二節(jié)第二節(jié) 無刷直流電動(dòng)機(jī)的根本公式和數(shù)學(xué)模型無刷直流電動(dòng)機(jī)的根本公式和數(shù)學(xué)模型n第三節(jié)第三節(jié) 無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩的動(dòng)搖無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩的動(dòng)搖 n第四節(jié)第四節(jié) 無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制n第五節(jié)第五節(jié) 無位置傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制無位置傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制

2、 n第六節(jié)第六節(jié) 無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的公用芯片引見無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的公用芯片引見 第 5 章第一節(jié)第一節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和任務(wù)原理和任務(wù)原理第一節(jié)第一節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和任務(wù)原理任務(wù)原理n無刷直流電動(dòng)機(jī)簡稱無刷直流電動(dòng)機(jī)和有刷直流電動(dòng)機(jī)相比，無刷直流電動(dòng)機(jī)由于革除了滑動(dòng)接觸機(jī)構(gòu)，因此消除了缺點(diǎn)的主要根源。n有專家以為無刷直流電動(dòng)機(jī)將作為信息時(shí)代的主要執(zhí)行部件在各行各業(yè)得到最廣泛的運(yùn)用。第一節(jié)第一節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和任務(wù)原理任務(wù)原理n三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)和普通的永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)相比，

3、在構(gòu)造上有很多相近或類似之處：n用裝有永磁體的轉(zhuǎn)子取代有刷直流電動(dòng)機(jī)的定子磁極，器具有三相繞組的定子取代電樞，用逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測器組成的電子換向器取代有刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換向器和電刷，就得到了三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)。 第一節(jié)第一節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和任務(wù)原理任務(wù)原理n一、三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造特點(diǎn)一、三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造特點(diǎn)n三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)屬于三相永磁同步電三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)屬于三相永磁同步電動(dòng)機(jī)的范疇，永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁場來自電動(dòng)動(dòng)機(jī)的范疇，永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁場來自電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的永久磁鐵，永久磁鐵的特性，在很機(jī)轉(zhuǎn)子上的永久磁鐵，永

4、久磁鐵的特性，在很大程度上決議了電動(dòng)機(jī)的特性，目前采用的永大程度上決議了電動(dòng)機(jī)的特性，目前采用的永磁資料主要有鐵淦氧、鋁鎳鈷、釹鐵硼以及磁資料主要有鐵淦氧、鋁鎳鈷、釹鐵硼以及SmCO5和和Sm2CO17。n 圖圖6-1-1對比了現(xiàn)用的幾種永久磁鐵的磁特性。對比了現(xiàn)用的幾種永久磁鐵的磁特性。由圖可知，鋁鎳鈷永磁合金的磁場強(qiáng)度由圖可知，鋁鎳鈷永磁合金的磁場強(qiáng)度H值范值范圍是很小的。鐵淦氧磁鐵那么在磁感應(yīng)強(qiáng)度圍是很小的。鐵淦氧磁鐵那么在磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度H的小范圍內(nèi)成線性關(guān)系。線性關(guān)的小范圍內(nèi)成線性關(guān)系。線性關(guān)系范圍最大的就是釹鐵硼合金，它被稱為第三系范圍最大的就是釹鐵硼合金，它被稱為

5、第三代稀土永磁合金。代稀土永磁合金。n鐵淦氧磁鐵系緊縮成型，耐沖擊性差，但價(jià)錢鐵淦氧磁鐵系緊縮成型，耐沖擊性差，但價(jià)錢廉價(jià)。而廉價(jià)。而SmCO5和和Sm2CO17磁鐵系燒結(jié)而磁鐵系燒結(jié)而成，價(jià)錢貴。釹鐵硼合金那么具有最大磁性積，成，價(jià)錢貴。釹鐵硼合金那么具有最大磁性積，但溫度系數(shù)比較大。但溫度系數(shù)比較大。第一節(jié)第一節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和任務(wù)原理任務(wù)原理鋁鎳鈷1206BTH/Am-1100.80.40203106/42106/44106/41106/45106/4鐵淦氧釹鐵硼合金SmCO3Sm2CO17圖5-1 幾種永久磁鐵的磁特性對比第一節(jié)第一節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的

6、組成構(gòu)造和無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和任務(wù)原理任務(wù)原理n在轉(zhuǎn)子上安頓永久磁鐵的方式有兩種。n一種是將成型永久磁鐵裝在轉(zhuǎn)子外表，即所謂外裝式；n另一種是將成型永久磁鐵埋入轉(zhuǎn)子里面，即所謂內(nèi)裝式，見圖5-2。第一節(jié)第一節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和任務(wù)原理任務(wù)原理d軸q軸q軸d軸ab圖5-2 安裝永久磁鐵的方式a外裝式b內(nèi)裝式SN S 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子NNSNS第一節(jié)第一節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和任務(wù)原理任務(wù)原理n根據(jù)永久磁鐵安裝在轉(zhuǎn)子上的方法的不同，永久磁鐵的外形可分為扇形和矩形兩種，從而有如圖5-3所示的永久磁鐵轉(zhuǎn)子的不同構(gòu)造。扇形磁鐵構(gòu)造的轉(zhuǎn)子具有電

7、樞電感小，齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩小的優(yōu)點(diǎn)。但易受電樞反響的影響，且由于磁通不能夠集中，氣隙磁密度低，電極呈現(xiàn)凸極特性。n矩形磁鐵構(gòu)造的轉(zhuǎn)子呈現(xiàn)凸極特性，電樞電感大，齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩大。但磁通可集中，構(gòu)成高磁通密度，故適于大容量電動(dòng)機(jī)。由于電動(dòng)機(jī)呈現(xiàn)凸極特性，可以利用磁阻轉(zhuǎn)矩。n此外，這種轉(zhuǎn)子構(gòu)造的永久磁鐵不易飛出，故可適宜于高速運(yùn)轉(zhuǎn)。第一節(jié)第一節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和任務(wù)原理任務(wù)原理鐵心定 子 線 圈永久磁鐵永久磁鐵非磁體永久磁鐵非磁體鐵心鐵心圖5-3 三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的構(gòu)造a扇形磁鐵轉(zhuǎn)子b矩形磁鐵轉(zhuǎn)子SSSSSSSSSSSSSNNNNNNNNNNNNNNS第一節(jié)第一

8、節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和任務(wù)原理任務(wù)原理n根據(jù)確定的轉(zhuǎn)子構(gòu)造所對應(yīng)的每相勵(lì)磁磁勢分布的不同，三相永磁同步電動(dòng)機(jī)可分為兩種類型：n正弦波型永磁同步電動(dòng)機(jī)和方波型永磁同步電動(dòng)機(jī)n前者每相勵(lì)磁磁勢分布是正弦波狀，后者每相勵(lì)磁磁勢分布呈方波狀，根據(jù)磁路構(gòu)造和永磁體外形的不同而不同。第一節(jié)第一節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和任務(wù)原理任務(wù)原理n應(yīng)該指出稀土永磁方波型電動(dòng)機(jī)屬于永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的范疇，而稀土永磁正弦波型電動(dòng)機(jī)那么普通作為三相交流永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)來運(yùn)用。n終究是三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)還是三相交流永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)主要取決于電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的

9、控制方式，取決于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置傳感器的類型。第一節(jié)第一節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和任務(wù)原理任務(wù)原理n二、三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置傳感器二、三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置傳感器n永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)都屬于自控式變頻系統(tǒng)，永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)都屬于自控式變頻系統(tǒng)，就是說電動(dòng)機(jī)的換相形狀是由轉(zhuǎn)子的位置決議的，電就是說電動(dòng)機(jī)的換相形狀是由轉(zhuǎn)子的位置決議的，電動(dòng)機(jī)的控制頻率是由轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn)速度決議的，這就需動(dòng)機(jī)的控制頻率是由轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn)速度決議的，這就需求轉(zhuǎn)子的位置檢測器。求轉(zhuǎn)子的位置檢測器。n轉(zhuǎn)子的位置檢測器有多種，正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)普轉(zhuǎn)子的位置檢測器有多種

10、，正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)普通采用：旋轉(zhuǎn)變壓器、絕對式光電脈沖編碼器或增量通采用：旋轉(zhuǎn)變壓器、絕對式光電脈沖編碼器或增量式光電脈沖編碼器作為位置檢測元件，而在永磁無刷式光電脈沖編碼器作為位置檢測元件，而在永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)方波電動(dòng)機(jī)中，普通采用簡易型的位直流電動(dòng)機(jī)方波電動(dòng)機(jī)中，普通采用簡易型的位置檢測器。置檢測器。n該器件不能用來檢測轉(zhuǎn)子的準(zhǔn)確位置，其檢測精度通該器件不能用來檢測轉(zhuǎn)子的準(zhǔn)確位置，其檢測精度通常只需常只需600電角度。其主要作用是為了滿足電動(dòng)電角度。其主要作用是為了滿足電動(dòng)機(jī)換相的要求。機(jī)換相的要求。 第一節(jié)第一節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和任務(wù)原理任務(wù)原理n

11、位置傳感器是無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的組成部分之一，也是區(qū)別于有刷直流電動(dòng)機(jī)的主要標(biāo)志。n作用是：檢測主轉(zhuǎn)子在運(yùn)動(dòng)過程中的位置，將轉(zhuǎn)子磁鋼磁極的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，為邏輯開關(guān)電路提供正確的換置信息，以控制它們的導(dǎo)通與截止，使電動(dòng)機(jī)電樞繞組中的電流隨著轉(zhuǎn)子位置的變化按次序換向，構(gòu)成氣隙中步進(jìn)式的旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子延續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。 第一節(jié)第一節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和任務(wù)原理任務(wù)原理n位置傳感器的種類有很多，有電磁式、光電式、磁敏式等。n它們各具特點(diǎn)，然而由于磁敏式霍爾位置傳感器具有構(gòu)造簡單、體積小、安裝靈敏方便、易于機(jī)電一體化等優(yōu)點(diǎn)，目前得到越來越廣泛的運(yùn)用。n以霍爾

12、效應(yīng)原理構(gòu)成的霍爾元件、霍爾集成電路、霍爾組件統(tǒng)稱為霍爾效應(yīng)磁敏傳感器，簡稱霍爾傳感器。第一節(jié)第一節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和任務(wù)原理任務(wù)原理n眾所周知，任何帶電粒子在磁場中沿著與磁力線垂直的方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，都要遭到磁場的作用力該力稱為洛倫茲力，其大小可用下式表示：n (5-1)n 洛倫茲力的大小與粒子的電荷量q，粒子的運(yùn)動(dòng)速度v及磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比。當(dāng)在一長方形半導(dǎo)體薄片上加上電場E后的情況。在沒有外加磁場時(shí)，電子沿外加電場E的相反方向運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成一股沿電場方向的電流。當(dāng)加以與外電場垂直的磁場B時(shí)，運(yùn)動(dòng)著的電子遭到洛倫茲力的作用將向左邊偏移，并在該側(cè)面構(gòu)成電荷積累，由于該

13、電荷的積累產(chǎn)生了新的電場，稱為霍爾電場。 qvBF 第一節(jié)第一節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和任務(wù)原理任務(wù)原理n霍爾電壓：隨著半導(dǎo)體橫向方向邊緣上的電荷積累不斷添加，霍爾電場力也不斷增大。它逐漸抵消了洛倫茲力，使電子不再發(fā)生偏移，從而使電子又恢復(fù)到原有的方向無偏移地運(yùn)動(dòng)，到達(dá)新的穩(wěn)定形狀，這時(shí)，在半導(dǎo)體兩側(cè)，就產(chǎn)生了一個(gè)電場，從而構(gòu)成了一個(gè)電壓，這就是霍爾電壓。n根據(jù)霍爾效應(yīng)的原理，可制成霍爾元件。對于一定的半導(dǎo)體薄片，其霍爾電壓U可用下式表示： dBIRUHH第一節(jié)第一節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和任務(wù)原理任務(wù)原理n當(dāng)RH、IH和d都為固定值時(shí)，

14、經(jīng)過丈量電壓U就可測得磁感應(yīng)強(qiáng)度B，這就是霍爾傳感器的原理。n霍爾傳感器按其功能和運(yùn)用可分為線性型、開關(guān)型、鎖定型三種。n 一線性型 n 線性型傳感器是由電壓調(diào)整器、霍爾元件、差分放大器、輸出級(jí)等部分組成，為變化的磁感應(yīng)強(qiáng)度，得到與磁感應(yīng)強(qiáng)度成線性關(guān)系的輸出電壓。可用于磁場丈量、電流丈量、電壓丈量等。第一節(jié)第一節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和任務(wù)原理任務(wù)原理二開關(guān)型 開關(guān)型傳感器是由電壓調(diào)整器、霍爾元件、差分放大器、施密特觸發(fā)器和輸出級(jí)等部分組成。輸人為磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出為開關(guān)信號(hào)。直流無刷電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測器屬于開關(guān)型的傳感器。 直流無刷電動(dòng)機(jī)的霍爾位置傳感器和電動(dòng)機(jī)本

15、體一樣，也是由靜止部分和運(yùn)動(dòng)部分組成，即位置傳感器定子和位置傳感器轉(zhuǎn)子。其轉(zhuǎn)子與電動(dòng)機(jī)主轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)，以指示電動(dòng)機(jī)主轉(zhuǎn)子的位置，既可以直接利用電動(dòng)機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子，也可以在轉(zhuǎn)軸其他位置上另外安裝永磁轉(zhuǎn)子。定子由假設(shè)干個(gè)霍爾元件，按一定的間隔，等間隔地安裝在傳感器定子上，以檢測電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。 第一節(jié)第一節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和任務(wù)原理任務(wù)原理n位置傳感器的根本功能是在電動(dòng)機(jī)的每一個(gè)電周期內(nèi)，產(chǎn)生出所要求的開關(guān)形狀數(shù)。n位置傳感器的永磁轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對磁極(N、S極)的轉(zhuǎn)角，也就是說每轉(zhuǎn)過360電角度，就要產(chǎn)生出與電動(dòng)機(jī)繞組邏輯分配形狀相對應(yīng)的開關(guān)形狀數(shù)，以完成電動(dòng)機(jī)的

16、一個(gè)換流全過程。n假設(shè)轉(zhuǎn)子的極對數(shù)越多，那么在360機(jī)械角度內(nèi)完成該換流全過程的次數(shù)也就越多。 第一節(jié)第一節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和任務(wù)原理任務(wù)原理n霍爾位置傳感器必需滿足以下兩個(gè)條件：n1. 位置傳感器在一個(gè)電周期內(nèi)所產(chǎn)生的開關(guān)形狀是不反復(fù)的，每一個(gè)開關(guān)形狀所占的電角度應(yīng)相等。n2. 位置傳感器在一個(gè)電周期內(nèi)所產(chǎn)生的開關(guān)形狀數(shù)應(yīng)和電動(dòng)機(jī)的任務(wù)形狀數(shù)相對應(yīng)。第一節(jié)第一節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和任務(wù)原理任務(wù)原理n假設(shè)位置傳感器輸出的開關(guān)形狀能滿足以上條件，那么總可以經(jīng)過一定的邏輯變換將位置傳感器的開關(guān)形狀與電動(dòng)機(jī)的換向形狀對應(yīng)起來，進(jìn)而完成

17、換向。n對于三相無刷直流電動(dòng)機(jī)，其位置傳感器的霍爾元件的數(shù)量是3，安裝位置該當(dāng)間隔120電角度， 其輸出信號(hào)是Ha、Hb、Hc，波形見圖5-4。第一節(jié)第一節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和任務(wù)原理任務(wù)原理圖5-4 霍爾傳感器的三相波形第一節(jié)第一節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和任務(wù)原理任務(wù)原理n三、三相直流無刷電動(dòng)機(jī)的換向原理三、三相直流無刷電動(dòng)機(jī)的換向原理n圖圖5-4闡明，三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位闡明，三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出信號(hào)置傳感器輸出信號(hào)Ha、Hb、Hc在每在每3600電電角度內(nèi)給出了角度內(nèi)給出了6個(gè)代碼，按其順序陳列，個(gè)代

18、碼，按其順序陳列，6個(gè)代個(gè)代碼是碼是101、100、110、010、011、001。當(dāng)然，這一順序與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向有關(guān)，假當(dāng)然，這一順序與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向有關(guān)，假設(shè)轉(zhuǎn)向反了，代碼出現(xiàn)的順序也將倒過來。設(shè)轉(zhuǎn)向反了，代碼出現(xiàn)的順序也將倒過來。n圖圖5-5是三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的電子換向是三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的電子換向器主回路，也就是由器主回路，也就是由6只功率開關(guān)元件組成的只功率開關(guān)元件組成的三相三相H形橋式逆變電路。形橋式逆變電路。第一節(jié)第一節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和任務(wù)原理任務(wù)原理n圖5-6是三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的定子繞組的構(gòu)造表示圖。其中虛線A-X表示與A

19、相繞組軸線相正交的位置；虛線B-Y表示與B相繞組軸線相正交的位置；虛線C-Z表示與C相繞組軸線相正交的位置；顯然由A-X、B-Y、C-Z交叉構(gòu)成了6個(gè)60的扇區(qū)，我們也把圖5-6稱作“定子空間的扇區(qū)圖。第一節(jié)第一節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和任務(wù)原理任務(wù)原理451A B CX Y Z 圖5-5 三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī) 的電子換向器主回路326Z654321BXCYA圖5-6 三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī) 繞組構(gòu)造圖第一節(jié)第一節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和任務(wù)原理任務(wù)原理n可以經(jīng)過兩種不同的途徑來分析無刷電動(dòng)機(jī)的換相過程：n第一條途徑是：利用剛剛提到的“

20、定子空間的扇區(qū)圖 來分析換相過程；n第二條途徑是：經(jīng)過分析電動(dòng)機(jī)的三相反電動(dòng)勢來了解換相過程。 第一節(jié)第一節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和任務(wù)原理任務(wù)原理n運(yùn)用“定子空間扇區(qū)圖分析了三相無刷直流電動(dòng)機(jī)在360電角度內(nèi)的換相過程，從分析可以看出，定子的磁場是步進(jìn)地、跨越地前進(jìn)的，每步跨越60電角度，而轉(zhuǎn)子當(dāng)然是延續(xù)地運(yùn)轉(zhuǎn)的。n從分析三相無刷直流電動(dòng)機(jī)的三相反電勢的角度，同樣也可以了解其換相過程。n根本思緒是這樣的：為了獲得最大的轉(zhuǎn)矩，該當(dāng)使每相的反電勢與該相的電流的相位一樣。由于開關(guān)管的通電周期為120電角度，所以每相電流的寬度120，電流波型的中心位置該當(dāng)與反電勢的中心位

21、置對應(yīng)。第一節(jié)第一節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和任務(wù)原理任務(wù)原理n無論是從“定子空間扇區(qū)圖還是從電動(dòng)機(jī)定子繞組的反電勢來分析三相無刷電動(dòng)機(jī)的換相過程，所得出的開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷形狀與轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系都是一樣的。n表5-1是對無刷直流電動(dòng)機(jī)換相形狀的總結(jié)。第一節(jié)第一節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成構(gòu)造和任務(wù)原理任務(wù)原理 前面分析的是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子順時(shí)針運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的情況，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的情況也是類似的。 第 5 章第二節(jié)第二節(jié) 無刷直流電動(dòng)機(jī)無刷直流電動(dòng)機(jī)的根本公式和數(shù)學(xué)模型的根本公式和數(shù)學(xué)模型第二節(jié)第二節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的根本公式無刷直流電動(dòng)機(jī)的根本公式和數(shù)學(xué)

22、模型和數(shù)學(xué)模型n無刷直流電動(dòng)機(jī)的根本物理量有電磁轉(zhuǎn)矩、電樞電流、反電勢和轉(zhuǎn)速等。這些物理量的表達(dá)式與電動(dòng)機(jī)氣隙磁場分布、繞組方式有非常親密的關(guān)系。n對于永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)，其氣隙磁場波形可以為方波，也可以實(shí)現(xiàn)正弦波或梯形波，對于采用稀土永磁資料的電動(dòng)機(jī)，其氣隙磁場普通為方波，其理想波形見圖5-8。第二節(jié)第二節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的根本公式無刷直流電動(dòng)機(jī)的根本公式和數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型n對于方波氣隙磁場，當(dāng)定子繞組采用集中整距繞組，即每極每相槽數(shù)為1時(shí)，方波磁場在定子繞組中感應(yīng)的電勢為梯形波。方波氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度在空間的寬度應(yīng)大于120電角度，從而使得在定子電樞繞組中感應(yīng)的梯形波反電勢的平頂寬應(yīng)大于120

23、電角度。方波電動(dòng)機(jī)通常采用方波電流驅(qū)動(dòng)，由電子換向器向方波電動(dòng)機(jī)提供三相對稱的、寬度為120電角度的方波電流。方波電流應(yīng)位于梯形波反電勢的平頂寬度范圍內(nèi)，見圖5-9。n下面分析方波電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩、電樞電流和反電勢等特性。第二節(jié)第二節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的根本公式無刷直流電動(dòng)機(jī)的根本公式和數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型圖5-8 理想的方波氣隙磁場OB2圖5-9 梯形波反電動(dòng)勢和方波電流2tOe i第二節(jié)第二節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的根本公式無刷直流電動(dòng)機(jī)的根本公式和數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型n一、電樞繞組的反電勢：一、電樞繞組的反電勢：n式中式中 B 氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度；氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度；nl 導(dǎo)體的有效長度；導(dǎo)體的有效長度；nv

24、轉(zhuǎn)子相對于定子導(dǎo)體的線速度。轉(zhuǎn)子相對于定子導(dǎo)體的線速度。Blve 第二節(jié)第二節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的根本公式無刷直流電動(dòng)機(jī)的根本公式和數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型n對于線速度v有：n式中 n 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，單位為r/min；nD 電樞內(nèi)徑；nnp 極對數(shù)；n 極距。60260nnnDvp第二節(jié)第二節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的根本公式無刷直流電動(dòng)機(jī)的根本公式和數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型n假設(shè)定子每相繞組串聯(lián)的匝數(shù)是N，那么每相繞組的反電勢為：n方波氣隙此感應(yīng)強(qiáng)度對應(yīng)的每極磁通為：n其中，是計(jì)算極弧系數(shù)。因此有：nlBNnNeEpX6042lB第二節(jié)第二節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的根本公式無刷直流電動(dòng)機(jī)的根本公式和數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型思索到三相

25、永磁方波電動(dòng)機(jī)是兩一樣時(shí)通電，所以，線電勢E為兩相電勢之和： 5-2 nNnEpX15nKnNnEEepX1522第二節(jié)第二節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的根本公式無刷直流電動(dòng)機(jī)的根本公式和數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型n二、電磁轉(zhuǎn)矩二、電磁轉(zhuǎn)矩n方波電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方波電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te是由兩相繞組的合成是由兩相繞組的合成磁場與轉(zhuǎn)子的磁場相互作用而產(chǎn)生的?？梢岳艌雠c轉(zhuǎn)子的磁場相互作用而產(chǎn)生的?？梢岳霉β逝c速度的關(guān)系來計(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩。用功率與速度的關(guān)系來計(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩。n式中式中 角速度，角速度， 。EITe602 n第二節(jié)第二節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的根本公式無刷直流電動(dòng)機(jī)的根本公式和數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型n對于轉(zhuǎn)矩那么有：n

26、 5-3n 從式5-2和式5-3可以看出，三相永磁方波電動(dòng)機(jī)與永磁n直流電動(dòng)機(jī)有完全一樣的反電勢公式和轉(zhuǎn)矩公式。n 下面仍以三相永磁方波電動(dòng)機(jī)為例來分析無刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)n模型。IKINnnnINnTMpp4602152第二節(jié)第二節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的根本公式無刷直流電動(dòng)機(jī)的根本公式和數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型n假設(shè)磁路不飽和，不計(jì)渦流和磁滯損耗，三相繞組完全對稱，那么三相繞組的電壓平衡方成為：n 5-4n對于方波電動(dòng)機(jī)由于轉(zhuǎn)子磁阻不隨轉(zhuǎn)子的位置變化，因此定子繞阻的自感和互感為常數(shù)。當(dāng)采用Y型銜接時(shí)，ia+ib+ic=0,因此有 cbacbammmmmmcbacbaeeeiiidtdLLLLLLLLLi

27、iiRRRuuu000000第二節(jié)第二節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的根本公式無刷直流電動(dòng)機(jī)的根本公式和數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型n 5-5n電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為：n n 5-6cbacbammmcbacbaeeeiiidtdLLLLLLiiiRRRuuu000000000000)(1ccbbaaeieieieT 第 5 章第三節(jié)第三節(jié) 無刷直流電動(dòng)機(jī)的無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩動(dòng)搖轉(zhuǎn)矩動(dòng)搖第三節(jié)第三節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩動(dòng)搖無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩動(dòng)搖n轉(zhuǎn)矩動(dòng)搖這是永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的一個(gè)顯著特點(diǎn)，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩動(dòng)搖的緣由是多方面的，下面對其緣由逐一加以分析。n在本章第一節(jié)我們談到過，具有120方波氣隙磁場的三相永磁同步電

28、動(dòng)機(jī)普通按照無刷直流電動(dòng)機(jī)的任務(wù)方式運(yùn)轉(zhuǎn)，而具有正弦波氣隙磁場的三相永磁同步電動(dòng)機(jī)普通按照交流伺服電動(dòng)機(jī)的任務(wù)方式運(yùn)轉(zhuǎn)，但這不是絕對的。第三節(jié)第三節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩動(dòng)搖無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩動(dòng)搖n也就是說，有一些按照無刷直流電動(dòng)機(jī)的任務(wù)方式運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)的氣隙磁場并非120方波。n現(xiàn)實(shí)上，只需采用稀土永磁資料，才有能夠使電動(dòng)機(jī)的磁場呈現(xiàn)120方波外形，而普通的永磁無刷電動(dòng)機(jī)的氣隙磁場都非1200方波，而是接近于正弦波，當(dāng)然，稀土永磁電動(dòng)機(jī)的磁場也可以為正弦波。對于這類電動(dòng)機(jī)來說，定子磁場和轉(zhuǎn)子之間的夾角的變化，是導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩動(dòng)搖的主要緣由。由于對于正弦波磁場的永磁電動(dòng)機(jī)來說，其電磁轉(zhuǎn)矩可由下式表示

29、：第三節(jié)第三節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩動(dòng)搖無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩動(dòng)搖n 5-7n式中 K系數(shù)；nFs定子磁勢；nFr轉(zhuǎn)子磁勢；n定轉(zhuǎn)子磁勢間的夾角。n 從式5-7可以清楚地看出，對于具有正弦波磁場，但按照n無刷直流電動(dòng)機(jī)的任務(wù)方式運(yùn)轉(zhuǎn)的三相永磁電動(dòng)機(jī)來說，其轉(zhuǎn)矩波n動(dòng)的幅度是比較大的，當(dāng)轉(zhuǎn)子位于每個(gè)扇區(qū)的中央位置時(shí)，電磁轉(zhuǎn)n矩最大，假設(shè)把這點(diǎn)的值定為1，那么當(dāng)轉(zhuǎn)子位于扇區(qū)邊緣時(shí)，轉(zhuǎn)矩n最小，只需0.866。sinrsFKFT第三節(jié)第三節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩動(dòng)搖無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩動(dòng)搖n對于方波電動(dòng)機(jī)來說，引起動(dòng)搖的緣由主要有以下幾點(diǎn)：n1)齒槽效應(yīng)和磁通畸變引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) 假定在方波電動(dòng)機(jī)的任何電樞

30、電流都不存在，定子的繞阻都處于開路的情況下，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于定子齒槽的存在，定子鐵芯磁阻的變化仍會(huì)產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，就是齒槽轉(zhuǎn)矩，齒槽轉(zhuǎn)矩是交變的，與轉(zhuǎn)子的位置有關(guān)，因此它是電動(dòng)機(jī)本身空間和永磁勵(lì)磁磁場的函數(shù)。第三節(jié)第三節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩動(dòng)搖無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩動(dòng)搖n2)諧波引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) 在方波電動(dòng)機(jī)中，恒定轉(zhuǎn)矩主要是由方波磁鏈和方波電流相互作用后產(chǎn)生的，但在實(shí)踐電動(dòng)機(jī)中，輸入定子繞組的電流不能夠是矩形波，由于電動(dòng)機(jī)的電感限制了電流的變化率。反電動(dòng)勢與理想波形的偏向越大，引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)越大，另外，非理想磁鏈波形對轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也有影響，當(dāng)磁鏈波的程度波頂小于理想的120時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；假設(shè)

31、磁鏈波的程度波頂大于120，而電流仍為理想的120方波，那么不會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。 第三節(jié)第三節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩動(dòng)搖無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩動(dòng)搖n3)電樞反響的影響 電樞反響對轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響主要反響在以下兩個(gè)方面：一是電樞反響使氣隙磁場發(fā)生畸變，改動(dòng)了轉(zhuǎn)子永磁體在空載時(shí)的方波氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度分布波形，使氣隙磁場的前極尖部分被加強(qiáng)，后極尖部分被減弱。該畸變的磁場與定子通電相繞組相互作用，使電磁轉(zhuǎn)矩隨定、轉(zhuǎn)子相對位置的變化而脈動(dòng)。二是在任一磁形狀內(nèi)，相對靜止的電樞反響磁場與延續(xù)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子主極磁場相互作用而產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩因轉(zhuǎn)子位置的不同而發(fā)生變化。第三節(jié)第三節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩動(dòng)搖無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩動(dòng)

32、搖n4)相電流換向引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) 相電流換向是引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的主要緣由之一，對于換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，許多學(xué)者都做過詳細(xì)的分析，根本的結(jié)論是：n換相期間電磁轉(zhuǎn)矩隨不同的換相形狀而變化。與電動(dòng)機(jī)本身的相反電勢Ex有關(guān)，也與驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的逆變器中的直流母線電壓U有關(guān)。當(dāng)U=4Ex時(shí)，在換相時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩T不動(dòng)搖；當(dāng)U4Ex時(shí)，在換相時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩T變大；當(dāng)U4Ex時(shí)，在換相時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩T變小 。很明顯，相電流換向引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)主要影響電動(dòng)機(jī)的高速和低速運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)，對于中速運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)，影響不大。 第三節(jié)第三節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩動(dòng)搖無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩動(dòng)搖n5)由于機(jī)械加工引起的轉(zhuǎn)矩動(dòng)搖 除了以上幾種主要緣由外，機(jī)械加工和資料的

33、不一致也是引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的重要緣由之一。n如工藝誤差呵斥的單邊磁拉力、摩擦轉(zhuǎn)矩不均勻、轉(zhuǎn)子位置傳感器的定位不準(zhǔn)確、繞組各相電阻電感參數(shù)不對稱，各永磁體磁性能不一致等等。n因此，提高工藝加工程度，也是減小轉(zhuǎn)矩動(dòng)搖的重要方法。 第 5 章第四節(jié)第四節(jié) 無刷直流電動(dòng)機(jī)的無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)控制第四節(jié)第四節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制n無刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)用范圍日益廣泛，它已從最初的航空、軍事設(shè)備運(yùn)用領(lǐng)域擴(kuò)展到工業(yè)和民用領(lǐng)域。n目前，小功率無刷直流電動(dòng)機(jī)主要用于計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、辦公室自動(dòng)化設(shè)備和音響影視設(shè)備中，如軟盤、硬盤、光盤的驅(qū)動(dòng)，復(fù)印機(jī)、機(jī)、輕印刷機(jī)械、錄像機(jī)、CD機(jī)、V

34、CD機(jī)、攝像機(jī)等的驅(qū)動(dòng)。n在家用電器中的空調(diào)器、電冰箱、風(fēng)扇、洗衣機(jī)等運(yùn)用無刷電動(dòng)機(jī)曾經(jīng)非常普遍。第四節(jié)第四節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制n在航空、軍事設(shè)備運(yùn)用領(lǐng)域里的雷達(dá)驅(qū)動(dòng)、機(jī)載武器瞄準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)、自行火炮火力控制驅(qū)動(dòng)等等，根本都采用無刷電動(dòng)機(jī)控制。n在工業(yè)控制領(lǐng)域，機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)和自動(dòng)消費(fèi)線、電子產(chǎn)品加工配備上的各種中小功率的驅(qū)動(dòng)等等，也廣泛采用無刷電動(dòng)機(jī)控制。n近幾年來，無刷電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)自行車上的運(yùn)用曾經(jīng)到達(dá)了曾經(jīng)到達(dá)了前所未有的廣泛程度。目前這類無刷電動(dòng)機(jī)主要是外轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)。n在新的重要建筑物內(nèi)廣泛采用了自動(dòng)感應(yīng)門，這類門的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，根本上都是無刷直流電動(dòng)機(jī)。第四節(jié)第

35、四節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制n一、開環(huán)型無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器n開環(huán)型三相無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部包含有電子換相器主電路-三相H形橋式逆變器、換相控制邏輯電路、PWM調(diào)速電路以及過流等維護(hù)電路。電路構(gòu)造見圖5-10.第四節(jié)第四節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制圖5-10 開環(huán)型三相無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器256134方向信號(hào)脈 寬調(diào)制器速度控制信號(hào)4365過電流維護(hù)驅(qū)動(dòng)21驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)426531第四節(jié)第四節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制n(一) 換相控制邏輯電路 n 參見圖5-4，三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出信號(hào)Ha、

36、Hb、Hc在每360電角度內(nèi)給出了6個(gè)代碼，換相控制邏輯電路接納轉(zhuǎn)子位置傳感器的輸出信號(hào)Ha、Hb、Hc，并對其進(jìn)展譯碼處置，給出電子換相器主回路三相橋式逆變器中6個(gè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。 第四節(jié)第四節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制n結(jié)合本章第一節(jié)中對換相原理的分析，可以得出表5-2。 第四節(jié)第四節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制n設(shè)1號(hào)6號(hào)開關(guān)管的控制信號(hào)分別為K1K6。根據(jù)表5-2，可以得出邏輯表達(dá)式如下：nK1=Ha/HbDIR+/HaHb/DIRnK2=/HbHcDIR+Hb/Hc/DIRnK3=/HaHcDIR+Ha/Hc/DIRnK4=/HaHbD

37、IR+Ha/Hb/DIR (5-8)nK5=Hb/HcDIR+/HbHc/DIRnK6=Ha/HcDIR+/HaHc/DIRn根據(jù)式5-8中的邏輯關(guān)系，可以得出換相控制邏輯電路。第四節(jié)第四節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制n(二) PWM調(diào)速電路 n應(yīng)該指出，無刷直流電動(dòng)機(jī)，加上電子換相器包括換相器的主回路-逆變器和換相控制邏輯電路，從原理上說，就相當(dāng)于一臺(tái)有刷的直流電動(dòng)機(jī)，也就是說，電子換相器處理了無刷電動(dòng)機(jī)換相的問題，但沒有處理電動(dòng)機(jī)調(diào)速的問題。n需求脈寬調(diào)制電路來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。第四節(jié)第四節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制n圖5-11是一種適用的脈寬調(diào)制

38、電路。脈寬調(diào)制器的主體就是一片比較器LM311，輸入的控制信號(hào)Uc與三角波信號(hào)Ut相疊加，疊加后的信號(hào)是U+=Uc+(1-)Ut,其中=R2/(R1+R2)。 圖5-11 脈沖寬度調(diào)制器+U+R2R1UtPWMUcVccVcc第四節(jié)第四節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制n由換相控制邏輯電路輸出的換置信號(hào)的頻率與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)，還與電動(dòng)機(jī)的磁極數(shù)有關(guān)。n無論在何種情況下，換相控制信號(hào)的頻率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于PWM信號(hào)的頻率。n因此，可以把PWM信號(hào)和換相控制信號(hào)，經(jīng)過邏輯“與的方法合成在一同，經(jīng)過調(diào)理PWM信號(hào)的占空比，來調(diào)理電動(dòng)機(jī)的定子電樞電壓，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。第四節(jié)第四節(jié)無刷直流電動(dòng)

39、機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制nPWM信號(hào)只需與高壓側(cè)的三個(gè)開關(guān)管的控制信號(hào)經(jīng)過邏輯“與的方法合成在一同即可實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速。圖5-12中闡明了PWM信號(hào)與換相控制信號(hào)的合成。有關(guān)的波形見圖5-12 。 圖5-12 PWM信號(hào)與換相控制信號(hào)的合成123456第四節(jié)第四節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制n(三) 維護(hù)電路 n無刷直流電動(dòng)機(jī)在開環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，最重要的維護(hù)就是過流維護(hù)，如圖5-10所示，普通在主回路中的直流母線上獲得過流反響信號(hào)，在過流維護(hù)環(huán)節(jié)中與設(shè)定的維護(hù)值相比較，假設(shè)超越了維護(hù)值就引發(fā)了維護(hù)動(dòng)作，普通是封鎖逆變器中的開關(guān)管，從而實(shí)現(xiàn)維護(hù)。n在一些性能目的要求不

40、高運(yùn)用場所，無刷直流電動(dòng)機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng)被廣泛地運(yùn)用著，如電動(dòng)自行車驅(qū)動(dòng)、便攜式電開工具的驅(qū)動(dòng)、汽車電器等。在這些運(yùn)用領(lǐng)域，普通都采用直流蓄電池供電，電壓較低，普通低于DC36V，而驅(qū)動(dòng)電流相對較大。第四節(jié)第四節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制n二、速度閉環(huán)的無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器二、速度閉環(huán)的無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器n假設(shè)對無刷直流電動(dòng)機(jī)的速度調(diào)理范圍和速度假設(shè)對無刷直流電動(dòng)機(jī)的速度調(diào)理范圍和速度控制精度有較高的要求，該當(dāng)采用速度閉環(huán)的控制精度有較高的要求，該當(dāng)采用速度閉環(huán)的控制構(gòu)造，見圖控制構(gòu)造，見圖5-13。66速度反饋環(huán)節(jié)換向邏輯逆變器合成PWM速 度控制器圖5-13 速度閉

41、環(huán)的控制構(gòu)造M位置傳感器第四節(jié)第四節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制n在開環(huán)型的驅(qū)動(dòng)器的根底上，加上速度閉環(huán)，就構(gòu)成了無刷直流電動(dòng)機(jī)的速度閉環(huán)控制系統(tǒng)。 n在無刷直流電動(dòng)機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，速度控制器的輸出信號(hào)，用做脈寬調(diào)制器的控制信號(hào)。普通將霍爾位置傳感器的信號(hào)加以處置后，構(gòu)成速度反響信號(hào)。 第四節(jié)第四節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制n霍爾位置傳感器發(fā)出的是三路相差120的低頻脈沖信號(hào)Ha、Hb、Hc，脈沖的頻率正比于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。首先該當(dāng)對Ha、Hb、Hc，其進(jìn)展辨向和6倍頻處置，經(jīng)過這樣的處置，取出其中的方向信息，并使其頻率提高。辨向和6倍頻處置的電路見圖

42、5-14。n Ha、Hb、Hc三路信號(hào)，分別被送入D觸發(fā)器 D1、D2、D3,經(jīng)時(shí)鐘脈沖CP的同步后，得到了Q0、Q2、Q4，而Q1、Q3、Q5相對于Q0、Q2、Q4又延遲了一個(gè)時(shí)鐘周期。圖5-15是相關(guān)的波形，其中，圖5-15a表示電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)Q5、Q4、Q3、Q2、Q1、Q0的關(guān)系；圖5-15b表示電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)Q5、Q4、Q3、Q2、Q1、Q0的關(guān)系。 第四節(jié)第四節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制n無論在正轉(zhuǎn)脈沖序列還是在反轉(zhuǎn)脈沖序列中，“公共代碼和“特征代碼都是交替出現(xiàn)的。n可以利用這一規(guī)律，來實(shí)現(xiàn)辨向和6倍頻處置。在圖5-14中的“譯碼環(huán)節(jié)中的邏輯表達(dá)式如下：nCPZ=

43、Q5Q4/Q3/Q2/Q1Q0+Q5/Q4/Q3/Q2Q1Q0+/Q5/Q4/Q3Q2Q1Q0+/Q5/Q4Q3Q2Q1/Q0+/Q5Q4Q3Q2/Q1/Q0+Q5Q4Q3/Q2/Q1/Q0nCPF=/Q5/Q4Q3Q2/Q1Q0+/Q5/Q4Q3/Q2Q1Q0+/Q5Q4/Q3/Q2Q1Q0+Q5Q4/Q3/Q2Q1/Q0+Q5Q4/Q3Q2/Q1/Q0+Q5/Q4Q3Q2/Q1/Q0第四節(jié)第四節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制n 圖5-15 一個(gè)周期內(nèi)波形分成了12個(gè)區(qū)間CPHaQ0HcHbQ1Q2Q3Q4Q5CPZ圖5-14 辨向和6倍頻處置電路CPF倍頻辨向543211

44、2111098 7621c)b)12321111098765421第四節(jié)第四節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制n由于反響通道中存在大的濾波慣性環(huán)節(jié)，使得系統(tǒng)較易震蕩，較難穩(wěn)定。n在設(shè)計(jì)速度控制器的動(dòng)態(tài)參數(shù)時(shí)，該當(dāng)思索相位超前補(bǔ)償，以抵消由于反響通路帶來的相位滯后。所以，這里的速度控制器普通不是一個(gè)純粹的比例積分控制器。 第四節(jié)第四節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制n三、速度電流雙閉環(huán)的無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器三、速度電流雙閉環(huán)的無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器n采用速度單閉環(huán)控制的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系采用速度單閉環(huán)控制的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)可以提高電動(dòng)機(jī)的速度控制精度，減小速

45、度統(tǒng)可以提高電動(dòng)機(jī)的速度控制精度，減小速度誤差。假設(shè)對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如誤差。假設(shè)對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求電動(dòng)機(jī)快速起制動(dòng)、突加負(fù)載時(shí)速度改動(dòng)要求電動(dòng)機(jī)快速起制動(dòng)、突加負(fù)載時(shí)速度改動(dòng)小，恢復(fù)快等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就無法滿足要求小，恢復(fù)快等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就無法滿足要求了。這時(shí)，需求轉(zhuǎn)速和電流的雙閉環(huán)控制。了。這時(shí)，需求轉(zhuǎn)速和電流的雙閉環(huán)控制。 第四節(jié)第四節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制n與有刷直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)系統(tǒng)相比，無刷直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)系統(tǒng)中的電流環(huán)的構(gòu)造具有其特殊性，這是由于這里有三相電樞繞組，在不同的時(shí)辰，電動(dòng)機(jī)的電流經(jīng)過其中不同的兩相。n根據(jù)這一特點(diǎn)，至

46、少必需設(shè)置兩路電流傳感器普通采用霍爾電流傳感器，根據(jù)基爾霍夫電流定那么，第三相的電流可由另外兩相的電流值計(jì)算得到。電流傳感器的安裝位置，以及輸出的波形可見圖5-16。 第四節(jié)第四節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制圖5-16 電流波形36451逆變器a)iAb)2iBiBiAImM第四節(jié)第四節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制n構(gòu)成電流閉環(huán)的方式有兩種：n一種方式只需求一個(gè)電流控制器，n另一種方式需求三個(gè)電流控制器。第四節(jié)第四節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制n(一) 采用單一電流控制器的方式 n采用單一電流控制器的方式，需求將檢測到的電流值Ia和I

47、b “拼接起來，構(gòu)成一個(gè)總的電流反響信號(hào)，這個(gè)總的電流反響信號(hào)的幅值就是Im。電流反響信號(hào)拼接的原理見圖5-17。第四節(jié)第四節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制-ugiugiKAFKAZ i*a HC HA HBKAFKAZ圖5-17 電流反響信號(hào)的合成邏輯電路第四節(jié)第四節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制n在絕對值電路中，還可以取出方向信號(hào)DIR ,當(dāng)Ugi的極性為正時(shí)，DIR 為1，當(dāng)Ugi為負(fù)的時(shí)候，DIR為0。DIR信號(hào)用于換相邏輯控制電路中。n圖5-19是采用單一電流控制器的無刷直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的框圖。第四節(jié)第四節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制無刷直流電

48、動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制DIR電流反響信號(hào)合成絕對值電路電流調(diào)理器PWM換相邏輯三相逆變器_+速度給定圖5-19 采用一只電流調(diào)理器的雙閉環(huán)系統(tǒng)Hcugi速度調(diào)理器測速反響+_HbHaibiaifMCMD第四節(jié)第四節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制n(二) 采用兩只電流控制器的方式 n采用兩只電流控制器構(gòu)成雙閉環(huán)系統(tǒng)，無需對電流反響進(jìn)展“拼接，但需求對速度調(diào)理器的輸出信號(hào)Ui進(jìn)展“分解，使其可以成為A相和B相的電流的給定信號(hào)。實(shí)現(xiàn)對Ui “分解的電路見圖5-20。第四節(jié)第四節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制-ugiugiKAFKAZ i*a HC HA HBKAFKAZ圖

49、5-20 實(shí)現(xiàn)對Ugi “分解的電路邏輯電路第四節(jié)第四節(jié)無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制n采用這種三角載波比較方式實(shí)現(xiàn)電流跟蹤控制具有諧波分量固定、電流動(dòng)搖小的特點(diǎn)，可以在一個(gè)三角波載波周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)電流的跟蹤，即實(shí)現(xiàn)最短時(shí)間控制。n三角波載波信號(hào)的頻率的選擇，影響電流控制的快慢，平均的控制延時(shí)等于半個(gè)三角波載波周期，在這一延時(shí)小于電動(dòng)機(jī)機(jī)電時(shí)間常數(shù)的1/10時(shí)，可以忽略不記。 第 5 章第五節(jié)第五節(jié) 無位置傳感器無位置傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制的無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制第五節(jié)第五節(jié)無位置傳感器的無刷直流電無位置傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制n上一節(jié)里所討論的

50、驅(qū)動(dòng)控制方法都是基于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置傳感器發(fā)出的信號(hào)的根底之上的。但是，電動(dòng)機(jī)中的位置傳感器，添加了電動(dòng)機(jī)的本錢和制造的難度，在某種意義上來說也降低了運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性。n近來，無位置傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī)曾經(jīng)引起了業(yè)內(nèi)人們的高度注重，雖然無位置傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制原理和控制電路稍復(fù)雜些，但總體構(gòu)造大為簡化了，制造的難度也降低了。 第五節(jié)第五節(jié)無位置傳感器的無刷直流電無位置傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制n一、無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)方法一、無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)方法n 無位置傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置無位置傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置需求經(jīng)過估計(jì)來獲得，獲取轉(zhuǎn)子

51、位置的目的是需求經(jīng)過估計(jì)來獲得，獲取轉(zhuǎn)子位置的目的是為了換相，所以只需求估計(jì)出換相時(shí)辰的轉(zhuǎn)子為了換相，所以只需求估計(jì)出換相時(shí)辰的轉(zhuǎn)子位置。對于三相繞組的電動(dòng)機(jī)，在一個(gè)電周期位置。對于三相繞組的電動(dòng)機(jī)，在一個(gè)電周期內(nèi)只需估計(jì)六個(gè)時(shí)辰，相鄰兩時(shí)辰轉(zhuǎn)子位置相內(nèi)只需估計(jì)六個(gè)時(shí)辰，相鄰兩時(shí)辰轉(zhuǎn)子位置相差差600電角度。常用的方法有反電勢法、定子電角度。常用的方法有反電勢法、定子三次諧波法、電流通路監(jiān)視法等。三次諧波法、電流通路監(jiān)視法等。 第五節(jié)第五節(jié)無位置傳感器的無刷直流電無位置傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制n(一) 反電勢法 n對于穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)來說，反電勢法是最簡單最適用的方法。n其原理為：無刷直流電動(dòng)機(jī)在任何時(shí)辰其三相繞組只需兩相導(dǎo)通，每相繞組正反向分別導(dǎo)通120電角度，經(jīng)過丈量三相繞組端子及中性點(diǎn)相對于直流母線負(fù)端的電位，可估算換向時(shí)辰。當(dāng)某相繞組的端點(diǎn)電位與中性點(diǎn)電位相等時(shí)，闡明此時(shí)辰這相繞組的反電勢為零，再過30電角度就必需對開關(guān)管進(jìn)展換相，據(jù)此可設(shè)計(jì)過零檢測及移相(或定時(shí))電路，得到全橋驅(qū)動(dòng)內(nèi)6個(gè)開關(guān)管的開關(guān)順序，這種方法叫做直接反電勢法。 第五節(jié)第五節(jié)無位置傳感器的無刷直流電無位置傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制n還有一種間接反電勢法，它直接丈量定子每相的電壓，然后由電壓方程解出反電勢的值，由于表達(dá)式中含有電流微分項(xiàng)，易引入