永磁無刷直流電機(電機控制)

1、 永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機原理永磁無刷直流電機原理深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院直流電源逆變器電機本體輸出控制信號控制器位置檢測器控制系統(tǒng)組成簡圖磁極靜止，電樞旋轉f=IBla，這個力形成電磁轉矩根據(jù)左手定則，線圈在這個轉矩作用下將按逆時針方向旋轉當載流導體轉過180度后，借助電刷-換向片改變導體中電流方向永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院二、無刷直流電動機的工作原理傳統(tǒng)直流電動機的工作原理電樞磁極換向片永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通

2、學院深圳大學軌道交通學院直流電動機內(nèi)部電磁過程的特點總結p 定子側為靜止的主極勵磁磁勢；p 轉子(電樞）側由外部電刷的直流電源供電，內(nèi)部繞組電流以及感應的電勢為交流。由換向器和電刷完成上述逆變過程的轉換；p 電刷是電樞電流的分界線，其位置決定了轉子電樞電流的換流時刻。因此，電刷與換向片配合起到了檢測轉子位置的作用；p 盡管轉子在不停的旋轉，但由于電刷相對主極靜止不動，因此，電樞磁勢與主極磁勢相對靜止；p 電樞磁勢與主極磁勢空間互相垂直，確保了直流電動機可以產(chǎn)生最大的電磁轉矩；永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院直流電動機的不足 電刷的磨損與維護； 機械式換向

3、火花，限制了應用場合； 難以實現(xiàn)高速運行；解決措施：解決措施：要點總結 電刷和換向器起到了與轉子位置有關的機械式逆變器作用； 定子側的直流勵磁磁勢和轉子電樞磁勢兩者相對靜止且相互垂直；u通過電力電子式逆變器電力電子式逆變器完成直流到交流的轉換；u通過轉子位置傳感器轉子位置傳感器檢測轉子位置，完成換向片與電刷的作用，以決定換流時刻；u考慮到實現(xiàn)的方便性，定、轉子位置顛倒，組成反裝式直流反裝式直流電動機電動機。永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院定子磁極，采用定子磁極，采用集中繞組集中繞組轉子磁極轉子磁極轉子位轉子位置檢測置檢測驅(qū)動電路，逆驅(qū)動電路，逆變器組成變

4、器組成電子電子開關開關機電一體化產(chǎn)品機電一體化產(chǎn)品無刷直流電動機原理無刷直流電動機原理電機本體電機本體電機本體電機本體轉子位置檢測轉子位置檢測電子開關電子開關永磁無刷直流電動機的原理框圖直流電源電子開關電動機位置傳感器 輸出永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院定子繞組采用整距、集中繞組永磁體粘接至轉子表面，呈隱極式結構電動機本體永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院21(a)永磁轉子結構型式 (a) 表面貼裝式； (b) 內(nèi)嵌式. 1磁鋼； 2鐵心 2 21 1(b)逆變器結構星形三相三狀態(tài)星形三相六狀態(tài)永磁無刷直流電機永磁

5、無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院星形四相四狀態(tài)封閉三相六狀態(tài) 正交兩相四狀態(tài)封閉四相四狀態(tài)永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院轉子位置傳感器(1) 磁敏式位置傳感器霍爾元件永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院功放霍爾元件放大輸出CCUOU外形電路原理開關特性霍爾集成電路永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院(2)電磁式位置傳感器永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院高頻勵磁輸入輸出繞組轉子磁心定子磁心永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳

6、大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院輸出信號1D1RP1V2R2V0U(3)光電式位置傳感器遮光盤一相導通星形三相三狀態(tài)1）H1受光，V1導通，A相流過電流，產(chǎn)生磁勢Fa。電流路徑：電源正極A相繞組V1管電源負極。2）電機順時針轉過120度后，H1被遮光，H2受光，V1關斷，V2導通，B相繞組通入電流，產(chǎn)生磁勢Fb。3）再轉過120度，C相導通。永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院fFfFfFfFfFaFaFaFaFA相通電相通電B相通電相通電C相通電相通電A相通電相通電上述過程可以看成

7、按一定順序換相通上述過程可以看成按一定順序換相通電的過程，或者磁場旋轉的過程，定電的過程，或者磁場旋轉的過程，定子各相繞組在氣隙中所形成的旋轉磁子各相繞組在氣隙中所形成的旋轉磁場是跳躍運動的，一周內(nèi)有三種狀態(tài)，場是跳躍運動的，一周內(nèi)有三種狀態(tài)，每種磁場狀態(tài)持續(xù)每種磁場狀態(tài)持續(xù)120，他們跟蹤，他們跟蹤轉子并與轉子的磁場相互作用，產(chǎn)生轉子并與轉子的磁場相互作用，產(chǎn)生驅(qū)使轉子旋轉的電磁轉矩。驅(qū)使轉子旋轉的電磁轉矩。aF15030 轉子每轉過120度，功率管換流一次，定子磁場狀態(tài)就改變一次，電機有三個磁狀態(tài)。每個功率管導通120度（1/3周期）。磁場為跳躍式步進磁場。因此，所產(chǎn)生的電磁轉矩為脈動轉矩

8、。減小轉矩脈動的方法是增加一周內(nèi)的磁狀態(tài)數(shù)，如二相導通六狀態(tài)。永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院fFfFfFfFfFaFaFaFaFA相通電相通電B相通電相通電C相通電相通電A相通電相通電aF15030二相導通星形六狀態(tài)61()TT、12()TT、56()TT、23()TT、34()TT、45()TT、永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院 每隔60換流一次; 任何瞬時有兩只開關器件同時導通； 每個開關器件導通 120 0120060永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院永磁無刷直流電機永

9、磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院61()TT、12()TT、56()TT、23()TT、34()TT、45()TT、永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院61()TT、12()TT、56()TT、23()TT、34()TT、45()TT、永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院61()TT、12()TT、56()TT、23()TT、34()TT、45()TT、永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院61()TT、12()TT、56()TT、23()TT、34()TT、45()

10、TT、永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院61()TT、12()TT、56()TT、23()TT、34()TT、45()TT、060 由此繪出一個周期內(nèi)定子三相繞組在不同時刻三相電流所產(chǎn)生的定子合成磁勢與轉子永磁磁勢之間的關系如圖所示。r 在一個周期內(nèi)三相定子繞組在空間共產(chǎn)生六個定子合成磁勢；r 轉子每轉過 電角度，定子繞組則換流一次，相應的定子合成磁勢就跳變一次。每個定子合成磁勢在時間上持續(xù)1/6周期（ 電角度）；r 在這六個連續(xù)跳變的定子合成磁勢作用下，轉子永磁磁勢隨轉子旋轉；r 盡管定子合成磁勢是跳變的，但其平均轉速卻與轉子轉速保持同盡管定子合成磁勢是

11、跳變的，但其平均轉速卻與轉子轉速保持同步，亦即在平均意義上步，亦即在平均意義上 與與 相對靜止相對靜止。從而保證了有效電磁轉矩的產(chǎn)生，而且轉子轉速為同步速。 r 電樞磁勢在與轉子磁極軸線垂直的電樞磁勢在與轉子磁極軸線垂直的 電角度范圍內(nèi)變化，亦電角度范圍內(nèi)變化，亦即使兩者之間的夾角在即使兩者之間的夾角在 范圍內(nèi)變化。范圍內(nèi)變化。 這樣，這樣，無論是在開無論是在開關器件導通過程中還是在換流瞬間，關器件導通過程中還是在換流瞬間， 與與 之間的夾角在平均意之間的夾角在平均意義上接近義上接近 ，亦即在平均意義上互相垂直。，亦即在平均意義上互相垂直。結論：結論：6060aFfFaFfF906060120

12、永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院三相六狀態(tài)繞組與開關管導通順序表120導通型導通型永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院永磁無刷直流電動機逆變器的各種控制方式u“ 導通型”（兩兩導通控制方式）；u“ 導通型”（三三導通控制方式）；u“ 導通型”（兩三輪流導通控制方式）；120180150A.三三導通控制方式(又稱為 導通型)180開關規(guī)律：開關規(guī)律：60180 每隔每隔 換流一次；換流一次； 任何瞬時有三只開關器件同時導通；任何瞬時有三只開關器件同時導通； 每個開關器件導通每個開關器件導通 。永磁無刷直流電機永磁無刷直流

13、電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院612()TTT、 、123()TTT、 、561()TTT 、 、234()TTT、 、345()TTT、 、456()TTT、 、相應的定子合成磁勢的空間矢量為：圖10.20 無刷直流電動機的定子合成磁勢( 導通型)180永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院B.兩三導通控制方式(又稱為 導通型)u每隔每隔 換流一次；換流一次；u任何瞬時有三只開關器件同時導通，然后變?yōu)閮芍婚_關器任何瞬時有三只開關器件同時導通，然后變?yōu)閮芍婚_關器件同時導通，再變回三只開關器件同時導通，件同時導通，再變回三只開關器件同時導通，； u

14、每個開關器件導通每個開關器件導通150150。 150開關規(guī)律：開關規(guī)律：30即：)(165TTT、)(16TT 、)(216TTT、)(21TT、)(321TTT、)(32TT 、)(432TTT、)(43TT 、)(543TTT、)(54TT 、)(654TTT、)(65TT 、永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院圖10.21 無刷直流電動機的定子合成磁勢( 導通型)150相應的定子合成磁勢的空間矢量為：相應的定子合成磁勢的空間矢量為：永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通

15、學院深圳大學軌道交通學院永磁無刷直流電動機的調(diào)速永磁無刷直流電動機的調(diào)速 改變逆變器直流側的輸入電壓實現(xiàn)調(diào)壓,并利用來自位置傳感器的轉子信息控制逆變器的頻率，調(diào)節(jié)轉子轉速； 保持逆變器直流側輸入電壓不變，利用來自轉子位置傳感器的轉子信息和PWM斬波控制同時調(diào)節(jié)逆變器的頻率和電壓，調(diào)節(jié)轉子轉速。永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院采用采用PWM電壓和電流控制方式電壓和電流控制方式換向 信號 邏輯 變換 電路 轉子位置 譯碼電路功率開關電路 保 護 電 路 控 制 電 路控制電路部分 控制指令 電子換向電路部分轉子位置傳感器永磁電機本體電動機部分永磁無刷直流電機

16、永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院單片機控制永磁無刷直流電動機原理圖 2. 正、反轉控制有刷電機：改變勵磁磁場的極性或電樞電壓的極性。無刷電機：原理相同，但因功率管的單向?qū)щ娦?，不能靠簡單地改變電源電壓極性使電機反轉，而是通過改變繞組的通電順序來改變電機轉向。ZAXBYCnNS永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院二相導通方式傳感器信號與功率管開關導通邏輯關系二相導通方式傳感器信號與功率管開關導通邏輯關系正轉反轉H1H2H3導通管H1H2H3導通管101V1V2101

17、V4V5100V2V3001V3V4110V3V4011V2V3010V4V5010V1V2011V5V6110V6V1001V6V1100V5V6永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院2. 無位置傳感器控制無位置傳感器控制 無位置傳感器控制是指無機械式位置傳感器，即不在無刷直流電動機的定子上直接安裝位置傳感器來檢測轉子位置,而是通過一個檢測電路，從硬件和軟件兩方面來間接獲取轉子位置信號。檢測得到轉子位置信號以后的控制方法，與有位置感器控制方法相同。永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學

18、軌道交通學院深圳大學軌道交通學院無刷電機專用驅(qū)動電路MC33035永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院無刷電機專用驅(qū)動電路MC33035永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院無刷電機專用驅(qū)動電路TDA1621LM621的原理框圖的原理框圖LM621的換相譯碼真值表的換相譯碼真值表永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院無刷電機專用驅(qū)動電路TDA1621永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院無位置傳感器無刷電機專用驅(qū)動芯片無位置傳感器無刷電機專用驅(qū)動芯片TDA5

19、142T永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院永磁無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的組成無刷直流電動機采用PWM反饋控制方式的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院永磁同步電動機的分類正弦波永磁同步電動機方波永磁同步電動機PMSM permanent magnetic synchronous motor BLDCM brushless direct-current motor永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院永磁同步

20、電動機的優(yōu)缺點： 功率密度高 轉子的轉動慣量小 運行效率高 轉軸上無滑環(huán)和電刷 轉子勵磁無法靈活控制 永磁體存在失磁現(xiàn)象 轉子磁勢受環(huán)境溫度影響 滯后定子功率因數(shù)永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院正弦波永磁同步電動機的結構正弦波永磁同步電動機的結構定子三相繞組采用正弦繞組三相逆變器提供定子繞組的三相對稱電流產(chǎn)生旋轉磁場光電式編碼器或旋轉變壓器永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院 定子三相繞組采用正弦繞組; 由三相逆變器提供定子繞組的三相對稱電流產(chǎn)生旋轉磁場,拖動永磁轉子同步旋轉; 定子繞組的通電頻率以及由此產(chǎn)生的旋轉磁場

21、轉速取決于轉子的實際位置和轉速; 轉子的實際位置和轉速由光電式編碼器或旋轉變壓器獲得;正弦波正弦波PMSM屬于自控式、無刷結構同步電動機屬于自控式、無刷結構同步電動機永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院一種典型的正弦波永磁同步電動機調(diào)速系統(tǒng)框圖 正弦波PMSM調(diào)速系統(tǒng)的組成永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院 定子繞組采用整距、集中繞組； 永磁體粘接至轉子表面，呈隱極式結構；永磁無刷直流電動機結構特點：永磁無刷直流電動機結構特點：圖10.16 永磁無刷直流電動機的主磁場磁密波形圖永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機深圳大學軌道交通學院深圳大學軌道交通學院永磁無刷直流電動機定子繞組感應的相電勢和電