電動汽車用電動機課件

1、電動汽車用電動機 3.1 概述3.2 直流電動機3.3 無刷直流電動機 3.4 異步電動機 3.5 永磁同步電動機 3.6 開關(guān)磁阻電動機1電動機的分類（1）按電動機工作電源分類直流電動機和交流電動機直流電動機又分為繞組勵磁式直流電動機和永磁式直流電動機交流電動機分為單相電動機和三相電動機。 1電動機的分類（2）按結(jié)構(gòu)及工作原理分類按結(jié)構(gòu)及工作原理分直流電動機，異步電動機和同步電動機直流電動機又分為無刷直流電動機和有刷直流電動機；異步電動機分為感應電動機和交流換向器電動機；同步電動機分為永磁同步電動機、磁阻同步電動機和磁滯同步電動機 1電動機的分類（3）按用途分類電動機按用途可分為驅(qū)動用電動機

2、和控制用電動機。（4）按轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)分類籠電動機按轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)可分為籠型感應電動機和繞線轉(zhuǎn)子感應電動機。（5）按運轉(zhuǎn)速度分類電動機按運轉(zhuǎn)速度可分為高速電動機、低速電動機、恒速電動機、調(diào)速電動機。各類電動機介紹（1）直流電動機優(yōu)點：起動加速時驅(qū)動力大、調(diào)速控制簡單、技術(shù)成熟等；缺點：電樞電流由電刷和換向器引入，換向時產(chǎn)生電火花，換向器容易燒蝕，電刷容易磨損，需經(jīng)常更換，維護工作量大；接觸部分存在摩擦損失，不僅使電動機效率降低，還限制了電動機的工作轉(zhuǎn)速。 磨損新研制的電動汽車基本不采用直流電動機。 各類電動機介紹（2）無刷直流電動機無刷直流電動機是一種高性能的電動機。它既有交流電動機的結(jié)構(gòu)簡單、運行可

3、靠、維護方便等諸多優(yōu)點，又具備運行效率高、無勵磁損耗、運行成本低和調(diào)速性能好等特點。因此，它在電動汽車上的應用與日俱增。各類電動機介紹（3）異步電動機 異步電動機在電動汽車上廣泛應用，這是因為異步電動機采用變頻調(diào)速時，可以取消機械變速器，實現(xiàn)無級變速，使傳動效率大為提高。，異步電動機很容易實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，再生制動能量的回收也更加簡單。當采用籠型轉(zhuǎn)子時，異步電動機還具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、價格便宜、工作可靠、效率高和免維護等優(yōu)點。各類電動機介紹（4）永磁同步電動機 永磁同步電動機結(jié)構(gòu)上與無刷直流電動機相似，不同之處在于它采用正弦波驅(qū)動，所以在具備無刷直流電動機優(yōu)點的同時，還具有低噪聲、體積小、功率密

4、度大、轉(zhuǎn)動慣量小、脈動轉(zhuǎn)矩小、控制精度高等特點，特別適用于混合動力電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)，以達到減小系統(tǒng)體積，改善汽車加速性能和行駛平穩(wěn)等目的。因此，永磁同步電動機受到了全世界各大汽車生產(chǎn)廠家的重視。各類電動機介紹（5）開關(guān)磁阻電動機 開關(guān)磁阻電動機是一種新型電動機，因其結(jié)構(gòu)簡單、堅固、工作可靠、效率高，其調(diào)速系統(tǒng)運行性能和經(jīng)濟指標比普通的交流調(diào)速系統(tǒng)好，具有很大的潛力，被公認是一種極有發(fā)展前途的電動汽車驅(qū)動電動機。 高密度、高效率、輕量化、低成本、寬調(diào)速牽引電機驅(qū)動系統(tǒng)已成為各國研究和開發(fā)的主要熱點。如永磁式開關(guān)磁阻電動機、轉(zhuǎn)子磁極分割型混合勵磁結(jié)構(gòu)同步電動機、永磁無刷交流電動機等。 各種電動

5、機的性能比較2.電動機的額定指標電動機的額定指標主要包括：（1）額定功率額定功率是指額定運行情況下軸端輸出的機械功率（W或kW）。（2）額定電壓額定電壓是指外加于線端的電源線電壓（V）。2.電動機的額定指標（3）額定電流額定電流是指電動機額定運行（額定電壓、額定輸出功率）情況下電樞繞組（或定子繞組）的線電流（A）。（4）額定頻率額定頻率是指電動機額定運行情況下電樞（或定子側(cè)）的頻率（Hz）。2.電動機的額定指標（5）額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速是指電動機額定運行（額定電壓、額定頻率、額定輸出功率）的情況下，電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速（r/min）。2.電動機的額定指標當電動機在額定運行情況下輸出額定功率時，稱為滿載

6、運行，這時電動機的運行性能、經(jīng)濟性及可靠性等均處于優(yōu)良狀態(tài)。輸出功率超過額定功率時稱為過載運行，這時電動機的負載電流大于額定電流，將會引起電動機過熱，從而減少了電動機使用壽命，嚴重時甚至燒毀電動機。2.電動機的額定指標電動機的輸出功率小于額定功率時稱為輕載運行，輕載時電動機的效率和功率因數(shù)等運行性能均較差，因此電動機應盡量避免輕載運行。3.電動汽車對電動機的要求 （1）電動機的運行特性要滿足電動汽車的要求，在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，要求低速運行時具有大轉(zhuǎn)矩，以滿足電動汽車起動和爬坡的要求；在恒功率區(qū)，要求低轉(zhuǎn)矩時具有高的速度，以滿足電動汽車在平坦的路面能夠高速行駛的要求；。（2）電動機應具有瞬時功率大、帶負

7、載啟動性能好、過載能力強，加速性能好，使用壽命長的特點；3.電動汽車對電動機的要求（3）電動機應在整個運行范圍內(nèi)，具有很高的效率，以提高一次充電的續(xù)駛里程； （4）電動機應能夠在汽車減速時實現(xiàn)再生制動，將能量回收并反饋給蓄電池，使得電動汽車具有最佳能量的利用率；（5）電動機應可靠性好，能夠在較惡劣的環(huán)境下長期工作；3.電動汽車對電動機的要求（6）電動機應體積小，重量輕，一般為工業(yè)用電動機的1/21/3；（7）電動機的結(jié)構(gòu)要簡單堅固，適合批量生產(chǎn)，便于使用和維護；（8）價格便宜，從而能夠減少整體電動汽車的價格，提高性價比；（9）運行時噪聲低，減少污染。3.2 直流電動機 1.直流電動機的分類直流

8、電動機分為繞組勵磁式直流電動機和永磁式直流電動機。在電動汽車所采用的直流電動機中，小功率電動機采用的是永磁式直流電動機，大功率電動機采用的是繞組勵磁式直流電動機。繞組勵磁式直流電動機根據(jù)勵磁方式的不同，可分為他勵式、并勵式、串勵式和復勵式四種類型。1.直流電動機的分類（1）他勵式直流電動機他勵式直流電動機的勵磁繞組與電樞繞組無連接關(guān)系，而由其它直流電源對勵磁繞組供電。因此勵磁電流不受電樞端電壓或電樞電流的影響。永磁直流電動機也可看作他勵直流電動機。他勵直流電動機在運行過程中勵磁磁場穩(wěn)定而且容易控制，容易實現(xiàn)電動汽車的再生制動要求。但當采用永磁激勵時，雖然電動機效率高，重量和體積較小，但由于勵磁

9、磁場固定，電動機的機械特性不理想，驅(qū)動電動機產(chǎn)生不了足夠大的輸出轉(zhuǎn)矩來滿足電動汽車起動和加速時的大轉(zhuǎn)矩要求。1.直流電動機的分類（2）并勵直流電動機并勵直流電動機的勵磁繞組與電樞繞組相并聯(lián)，共用同一電源，性能與他勵直流電動機基本相同。并勵繞組兩端電壓就是電樞兩端電壓，但是勵磁繞組用細導線繞成，其匝數(shù)很多，因此具有較大的電阻，使得通過它的勵磁電流較小。1.直流電動機的分類（3）串勵直流電動機串勵直流電動機的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)后，再接于直流電源，這種直流電動機的勵磁電流就是電樞電流。這種電動機內(nèi)磁場隨著電樞電流的改變有顯著的變化。為了使勵磁繞組中不致引起大的損耗和電壓降，勵磁繞組的電阻越小越好

10、，所以串勵直流電動機通常用較粗的導線繞成，它的匝數(shù)較少。串勵直流電動機優(yōu)缺點比較串勵直流電動機在低速運行時，能提供足夠大的轉(zhuǎn)矩，而在高速運行時，電動機電樞中的反電動勢增大，與電樞串聯(lián)的勵磁繞組中的勵磁電流減小，電動機高速時的弱磁調(diào)速功能易于實現(xiàn)，因此能較好地符合電動汽車的特性要求。串勵直流電動機由低速到高速運行時弱磁調(diào)速特性不理想；車速提高時，輸出轉(zhuǎn)矩不能滿足電動汽車高速行駛時大轉(zhuǎn)矩要求；運行效率低；再生制動的穩(wěn)定性差；再生制動可靠性較差；串勵電動機的勵磁繞組損耗大，體積和重量也較大。1.直流電動機的分類（4）復勵直流電動機 復勵直流電動機有并勵和串勵兩個勵磁繞組，電動機的磁通由兩個繞組內(nèi)的勵

11、磁電流產(chǎn)生。若串勵繞組產(chǎn)生的磁通勢與并勵繞組產(chǎn)生的磁通勢方向相同稱為積復勵。若兩個磁通勢方向相反，則稱為差復勵。復勵直流電動機的永磁勵磁部分采用高磁性材料釹鐵硼，運行效率高。由于電動機永磁勵磁部分有穩(wěn)定的磁場，因此用該類電動機構(gòu)成驅(qū)動系統(tǒng)時易實現(xiàn)再生制動功能。同時由于電動機增加了增磁繞組，通過控制勵磁繞組的勵磁電流或勵磁磁場的大小， 能克服純永磁他勵直流電動機不能產(chǎn)生足夠的輸出轉(zhuǎn)矩來滿足電動汽車低速或爬坡時的大轉(zhuǎn)矩要求，而電動機的重量或體積比串勵電動機的小。1.直流電動機的分類各種激勵方式直流電動機的電路圖電樞電流 勵磁電流 電源電壓 勵磁電壓 負載電流1.直流電動機的分類電動汽車所使用的直流

12、電動機主要是他勵直流電動機（包括永磁直流電動機）、串勵直流電動機、復勵直流電動機三種類型。小功率（100W10kW）的電動機采用的是小型高效的永磁直流電動機，可以應用在小型、低速的搬運設備上。如電動自行車、休閑用電動汽車、高爾夫球車、電動叉車等。 中等功率（10100kW）的電動機采用他勵、復勵或串勵式直流電動機，可以用于結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)矩要求較大的電動貨車上。大功率（100kW）直流電動機采用串勵式，可用在要求低速、高轉(zhuǎn)矩的專用電動車上，如礦石搬運電動車、玻璃電動搬運車等。2.直流電動機的結(jié)構(gòu)與特點 （1）直流電動機的結(jié)構(gòu)直流電動機由定子與轉(zhuǎn)子兩大部分構(gòu)成，定子和轉(zhuǎn)子之間的間隙稱為氣隙。2.直流

13、電動機的結(jié)構(gòu)與特點 （1）定子部分 直流電動機定子主要由主磁極、機座、換向極和電刷裝置等組成。 主磁極 主磁極的作用是建立主磁場，它由主極鐵心和套裝在鐵心上的勵磁繞組構(gòu)成。主極鐵心一般由11.5mm的低碳鋼板沖壓一定形狀疊裝固定而成，是主磁路的一部分。勵磁繞組用扁銅線或圓銅線繞制而成，產(chǎn)生勵磁磁動勢。2.直流電動機的結(jié)構(gòu)與特點機座 機座用鑄鋼或厚鋼板焊接而成，它既是主磁路的一部分，又是電動機的結(jié)構(gòu)框架。換向極 換向極的作用是改善直流電動機的換向情況，使直流電動機運行時不產(chǎn)生有害的火花。它由換向極鐵心和套裝在鐵心上的換向極繞組構(gòu)成。電刷裝置 電刷裝置由電刷、刷握、刷桿、匯流排等組成，用于電樞電路

14、的引入或引出。2.直流電動機的結(jié)構(gòu)與特點（2）轉(zhuǎn)子部分電樞鐵心 電樞鐵心既是主磁路的組成部分，又是電樞繞組的支撐部分，電樞繞組嵌放在電樞鐵心的槽內(nèi)。電樞鐵心一般用0.55mm硅鋼沖片疊壓而成。電樞繞組 電樞繞組由扁銅線或圓銅線按一定規(guī)律繞制而成，它是直流電動機的電路部分，也是產(chǎn)生電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩進行機電能量轉(zhuǎn)換的部分。換向器 換向器由冷拉梯形銅排和絕緣材料等構(gòu)成，用于電樞電流的換向。2.直流電動機的結(jié)構(gòu)與特點（2）直流電動機的特點調(diào)速性能好：直流電動機可以在重負載條件下，實現(xiàn)均勻、平滑的無級調(diào)速，而且調(diào)速范圍較寬；起動力矩大：可以均勻而經(jīng)濟地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，因此，凡是在重負載下起動或要求均勻調(diào)節(jié)

15、轉(zhuǎn)速的機械，例如大型可逆軋鋼機、卷揚機、電力機車、電車等，都可用直流電動機拖動控制比較簡單：一般用斬波器控制，它具有高效率、控制靈活、重量輕、體積小、響應快等優(yōu)點；2.直流電動機的結(jié)構(gòu)與特點由于存在電刷、換向器等易磨損器件，所以必須進行定期維護或更換。電動汽車專用的直流電動機和其它通用的電動機相比，應在耐高溫性、抗振動性、低損耗性、抗負載波動性以及小型輕量化、免維護性等方面給予特殊考慮。 除此之外，電動汽車用直流電動機大多在較低的電壓下驅(qū)動，同時是大電流電路，因此需要注意連接接線的接觸電阻。3.直流電動機的工作原理 定子有一對N、S極，電樞繞組的末端分別接到兩個換向片上，正、負電刷A和B分別與

16、兩個換向片接觸。如果給兩個電刷加上直流電源，則有直流電流從電刷A流入，經(jīng)過線圈abcd，從電刷B流出。根據(jù)電磁力定律，載流導體ab和cd受到電磁力的作用，其方向可用左手定則判定，兩段導體受到的力形成了一個轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到圖（b）所示的位置，電刷A和換向片2接觸，電刷B和換向片1接觸，直流電流從電刷A流入，在線圈中的流動方向是dcba，從電刷B流出。此時載流導體ab和cd受到電磁力的作用方向同樣可用左手定則判定，它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍然使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。這就是直流電動機的工作原理。外加的電源是直流的，但由于電刷和換向片的作用，在線圈中流過的電流是交流的，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向卻是不

17、變。3.直流電動機的工作原理4 .直流電動機的基本方程 在建立直流電動機基本方程時，假設： 為電樞電壓； 為電樞電流； 為電樞電阻； 為電樞感應電動勢； 為電樞角速度； 為勵磁電壓； 為勵磁電流； 為勵磁電阻； 為電源電壓； 為負載電流； 為電動機轉(zhuǎn)速。(1)電樞繞組的感應電動勢 直流電動機電樞繞組的感應電動勢是指從一對正負電刷引出的電動勢，也稱電樞電動勢，可表示為 為每極磁通量； 為電動勢常數(shù)，與電動機結(jié)構(gòu)有關(guān)。4 .直流電動機的基本方程(2)直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩是指電樞上所有載流導體在磁場中受力所形成的轉(zhuǎn)矩的總和?？杀硎緸?式中， 為電磁轉(zhuǎn)矩； 為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，與電動機結(jié)構(gòu)

18、有關(guān)。直流電動機的基本方程式與勵磁方式有關(guān)，勵磁方式不同，基本方程式略有差別。下面以他勵直流電動機為基礎建立電壓方程、轉(zhuǎn)矩方程和功率方程。 請在此輸入您的標題請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請

19、在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的標題請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在

20、此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。請在此輸入您的文本。4 .直流電動機的基本方程(3)電壓方程式由他勵直流電動機的等效電路，得電樞回路的電壓方程為 其中 為互感 勵磁回路的電壓方程為得到以下結(jié)果：（1）對于永磁直流電動機，有 ；（2）對于并勵直流電動機，有， ， ；（3）對于串勵直流電動機，有， ， ；（4）對于復勵直流電動機，其特性介于串勵和并勵之間。4 .直流電動機的基本方程（4）轉(zhuǎn)矩方程式 電動機空載時，軸上輸出轉(zhuǎn)矩 ，則有 。 當負載轉(zhuǎn)矩為 ，軸上輸出有 ，電動機勻速穩(wěn)定運行時有 式中， 為空載轉(zhuǎn)矩，它是由電動機的機械摩擦和鐵耗引起的轉(zhuǎn)矩； 為電磁轉(zhuǎn)矩，為拖動性質(zhì)

21、轉(zhuǎn)矩； 為總的制動轉(zhuǎn)矩，方向與相反。 電磁轉(zhuǎn)矩可用下面公式計算： 綜上，可以得到各種直流電動機的速度轉(zhuǎn)矩特性曲線。4 .直流電動機的基本方程各種直流電動機的速度轉(zhuǎn)矩特性 4 .直流電動機的基本方程由式可得電樞角速度為 從上式可以看出，通過調(diào)整勵磁電流 實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的大幅度控制。 對于串勵直流電動機，有 ，所以大電流通過時會產(chǎn)生非常大的轉(zhuǎn)矩，而如果電流變小，由上式可知，轉(zhuǎn)速也將大幅度上升，由此可以得到電動汽車所希望的特性。 下圖為直流電動機的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩、電壓特性曲線。4 .直流電動機的基本方程直流電動機的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩、電壓特性曲線5功率方程式他勵直流電動機輸入功率為 式中， 為輸入功率； 為電磁功率；

22、為電樞回路上的銅耗。5. 直流電動機的運行特性 直流電動機的運行特性主要包括直流電動機的工作特性和直流電動機的機械特性。直流電動機的工作特性是指電動機的轉(zhuǎn)速特性、轉(zhuǎn)矩特性和效率特性，即在保持額定電壓、額定勵磁電流（他勵、并勵）或勵磁調(diào)節(jié)不變（串勵、復勵）的情況下，電動機的轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩和效率隨電樞電流（或輸出功率）變化的特性。直流電動機的機械特性是指在電源電壓恒定、勵磁調(diào)節(jié)電阻和電樞回路電阻不變的情況下，其轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，又稱為轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性，是電動機的重要特性。5. 直流電動機的運行特性 (1)并勵（他勵）直流電動機的運行特性轉(zhuǎn)速特性并勵（他勵）直流電動機的轉(zhuǎn)速特性為式中， 為電動機

23、的理想空載轉(zhuǎn)速； 為轉(zhuǎn)速調(diào)整率，由電樞電阻壓降引起，一般為38%。并勵（他勵）直流電動機在運行時，勵磁繞組絕對不能斷開。若勵磁電流為零，電樞電流迅速增大，若負載較小，則會造成“飛車”事故。5. 直流電動機的運行特性效率特性 轉(zhuǎn)矩特性5. 直流電動機的運行特性直流電動機的效率具有普遍意義。電動機的額定效率是指電動機額定運行時的效率。一般直流電動機的效率為75%85%。并勵直流電動機的工作特性如下圖所示。 5. 直流電動機的運行特性機械特性 并勵（他勵）直流電動機的機械特性可表示為 式中， 為電樞回路外的串聯(lián)電阻。由上式可以得到并勵（他勵）直流電動機的機械特性曲線，即改變電樞電壓、改變勵磁電流、改

24、變電樞回路電阻時的機械特性曲線。5. 直流電動機的運行特性 改變電樞電壓時的機械特性從左圖可以看出，逐漸減小電源電壓時，理想空載轉(zhuǎn)速逐漸下降，但從空載到滿載轉(zhuǎn)速變化很小，這種特性稱為硬機械特性。這使并勵和他勵直流電動機具有了優(yōu)良的調(diào)速性能。5. 直流電動機的運行特性改變勵磁電流時的機械特性從左圖可以看出，逐漸減小勵磁電流時，理想空載轉(zhuǎn)速逐漸上升，曲線斜率逐漸增大，使特性變軟，電動機運行的穩(wěn)定性變差。過分“弱磁”時，使電動機轉(zhuǎn)速過高，甚至引起“飛車”。因此，電動機采用弱磁調(diào)節(jié)時必須注意。5. 直流電動機的運行特性改變電樞回路電阻時的機械特性從左圖可以看出，當電樞回路電阻從零逐漸開始增大時，機械特

25、性曲線的斜率逐漸增大，使特性逐漸變軟，但電動機的理想空載轉(zhuǎn)速不變。5. 直流電動機的運行特性（2）串勵直流電動機的運行特性 串勵直流電動機廣泛應用于交通運輸中，它的特點是負載電流、電樞電流和勵磁電流是一個電流，即，氣隙主磁通隨電樞電流的變化而變化，同時對電動機轉(zhuǎn)速產(chǎn)生較大影響。轉(zhuǎn)速特性 串勵直流電動機的轉(zhuǎn)速特性可表示為5. 直流電動機的運行特性轉(zhuǎn)矩特性 串勵直流電動機的轉(zhuǎn)矩特性可表示為串勵直流電動機的工作特性曲線如下圖所示。從轉(zhuǎn)矩特性可以看出，當負載增加時，串勵直流電動機的轉(zhuǎn)矩快速增加，但與此同時轉(zhuǎn)速也快速下降，因此基本保持了功率恒定，即串勵直流電動機具有恒功率特性。5. 直流電動機的運行特性

26、串勵直流電動機的工作特性曲線5. 直流電動機的運行特性機械特性 串勵直流電動機的機械特性可表示為 得到串勵直流電動機的機械特性曲線，下頁所示。由于串勵電動機的負載電流、電樞電流和勵磁電流相等，所以調(diào)節(jié)電源電壓或電樞回路電阻的同時，勵磁電流也隨之變化?？梢钥闯?，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的增加迅速下降，這種特性稱為軟機械特性。5. 直流電動機的運行特性 改變電樞回路電阻時的機械特性 改變電樞電壓時的機械特性5. 直流電動機的運行特性 （3）復勵直流電動機的運行特性 復勵電動機既有并勵繞組，又有串勵繞組，因此其特性介于并勵電動機和串勵電動機之間。當復勵電動機以并勵為主時，其特性接近于并勵電動機；當復勵電動機以串勵

27、為主時，其特性接近于串勵電動機。 6.直流電動機的控制（1）直流電動機的轉(zhuǎn)速控制方法 從直流電動機的轉(zhuǎn)速特性和機械特性可以看出，其轉(zhuǎn)速控制方法主要有電樞調(diào)壓控制、磁場控制和電樞回路電阻控制。電樞調(diào)壓控制 電樞調(diào)壓控制是指通過改變電樞的端電壓來控制電動機的轉(zhuǎn)速。他勵電動機改變電樞端電壓時的轉(zhuǎn)速控制特性如下圖所示。 6.直流電動機的控制改變電樞端電壓時的轉(zhuǎn)速控制特性6.直流電動機的控制電樞調(diào)壓控制只適合電動機基速以下的轉(zhuǎn)速控制，它可保持電動機的負載轉(zhuǎn)矩不變，電動機轉(zhuǎn)速近似與電樞端電壓成比例變化，所以稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。直流電動機采用電樞調(diào)壓控制可實現(xiàn)在寬廣范圍內(nèi)的連續(xù)平滑的速度控制，調(diào)速比一般可達1:

28、10，如果與磁場控制配合使用，調(diào)速比可達1:30。電樞調(diào)壓控制需要專用的可控直流電源，過去常用電動發(fā)電機組，現(xiàn)在大、中容量的可控直流電源廣泛采用晶閘管可控整流電源，小容量則采用電力晶體管的PWM控制電源，電動汽車用的直流電動機常用斬波控制器作為電樞調(diào)壓控制電源。6.直流電動機的控制磁場控制 磁場控制是指通過調(diào)節(jié)直流電動機的勵磁電流改變每極磁通量，從而調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。他勵電動機帶恒轉(zhuǎn)矩負載時磁場控制的轉(zhuǎn)速控制特性如下圖。 磁場控制只適合電動機基數(shù)以上的控制。當電樞電流不變時，具有恒功率調(diào)速特性。磁場控制效率高，但調(diào)速范圍小，一般不超過1:3，而且響應速度較慢。 磁場控制可用可變，也可采用可控整

29、流電源作為勵磁電源。 6.直流電動機的控制磁場控制時的轉(zhuǎn)速控制特性6.直流電動機的控制電樞回路串電阻控制 電樞回路串電阻控制是指當電動機的勵磁電流不變時，通過改變電樞回路電阻來調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。其轉(zhuǎn)速控制特性如圖所示。 這種控制方法的機械特性較軟，而且電動機運行不穩(wěn)定，一般很少應用。對于小型串勵電動機，常采用電樞回路串電阻控制方式。 電樞回路串電阻時的轉(zhuǎn)速控制特性 6.直流電動機的控制（2）電動汽車用直流電動機控制器功能 直流電動機的控制方法和功能因使用條件不同而不同。下面以電動叉車為例，介紹直流電動機控制器的功能。 電動叉車一般采用串勵直流電動機，它的控制器所具有的功能可以分為非故障性處理功

30、能和故障性處理功能。非故障性指在正常行進或制動時所具有的功能，故障性處理功能是指控制器所具有的故障檢測和做出相應處理的功能。6.直流電動機的控制主要功能如下： （1）正常前進 閉合制動開關(guān)，主接觸器閉合，然后閉合前進開關(guān)，前進接觸器閉合，電動機進入前進狀態(tài)，加速器調(diào)節(jié)后，電動機前進方向運轉(zhuǎn)。（2）正常后退 閉合制動開關(guān)，主接觸器閉合，然后閉合后退開關(guān)，后退接觸器閉合，電動機進入后退狀態(tài)，加速器調(diào)節(jié)后，電動機后退方向運轉(zhuǎn)。（3）快速起動 當加速器從空檔位置突然旋轉(zhuǎn)至超過25%的位置時，為了克服起動時的最大靜摩擦力，此時的加速率高于正常情況的加速率，當PWM達到或超過25%的時候快速起動結(jié)束。6.

31、直流電動機的控制（4）斜坡起動 可以使車輛能在斜坡上以較大的反相電流限幅起動而不至于滑下去。先選擇一個方向不少于1s，然后返回到空檔位置，再選擇同一方向就可以引發(fā)此功能。一旦車輛處于斜坡起動狀態(tài)，它將持續(xù)保持該狀態(tài)直到相反方向被選擇達1s以上。（5）無級變速 PWM變速功能不是放于主程序中實現(xiàn)，而是在周期為0.5ms的定時器溢出中斷中處理，每20次定時器溢出中斷也就是每10ms程序根據(jù)當時的加速率或減速率對PWM進行增加或減少，這種操作實現(xiàn)無級變速 6.直流電動機的控制（6）速度模式選擇 通過高速開關(guān)選擇不同的工作模式一高速模式和低速模式。（7）反向制動功能 反向制動是指當叉車在向某方向前進的

32、過程中對叉車斷開當前方向開關(guān)，閉合相反方向開關(guān)，以此施以相反方向的勵磁以達到快速制動的效果。當叉車從正常運行狀態(tài)轉(zhuǎn)入反向制動狀態(tài)時，PWM的頻率由15 kHz轉(zhuǎn)變?yōu)?.5kHz。6.直流電動機的控制（8）空檔制動功能 空檔制動實際就是自動的反向制動，以前進方向上的空檔制動為例，當叉車處于前進狀態(tài)時，將前進開關(guān)斷開，則首先前進接觸器斷開，然后程序控制將后退接觸器閉合，則此時電動機進行反向制動，當程序檢測到電動機停止時將后退接觸器斷開，空檔制動結(jié)束。（9）緊急反向及其連線檢測 電動機正常運轉(zhuǎn)后，如果閉合緊急反向開關(guān)，則電動機向相反方向以最快速度轉(zhuǎn)動，同時提供緊急反向連線開關(guān)故障檢測。（10）加速器

33、類型選擇 可以選擇霍爾加速器、5k-0型加速器和0-5k型加速器等，并提供加速器開路故障檢測。6.直流電動機的控制（11）過電壓和欠電壓保護 當電壓低于16V時，PWM逐漸變?yōu)?，然后控制器斷開，如果電壓超過30V，則控制器重新開始工作，控制器故障指示燈指示相應故障。（12）溫度保護 當溫度超過85時，PWM逐漸變?yōu)?，然后接觸器斷開，如果溫度回落到85以內(nèi)，控制器重新開始工作，控制器故障指示燈指示相應故障。（13）接觸器檢測 接觸器線圈驅(qū)動器帶有短路和開路監(jiān)測，同時監(jiān)測是否出現(xiàn)接觸器線圈電流過大故障。6.直流電動機的控制（14）高踏板故障檢測 當加速器超過25%然后閉合制動開關(guān)時，控制器會報

34、高踏板功能時序錯誤。（15）靜態(tài)斷開故障檢測 防止在“掛檔”情況下車輛起動，檢查制動開關(guān)或制動開關(guān)和鑰匙開關(guān)相對于方向開關(guān)的時序。制動開關(guān)或制動開關(guān)和鑰匙開關(guān)必須在方向選定前閉合。若在制動開關(guān)閉合前或同時閉合則控制器被禁止。（16） MOSFET驅(qū)動電路故障 如果PWM信號己經(jīng)發(fā)出，而M-部分沒有跳變信號出現(xiàn)，則標明MOSFET驅(qū)動電路出故障，由故障指示燈指示該故障，作為M-故障處理。6.直流電動機的控制（17） MOSFET晶體管故障檢測 不論在任何時間，在主程序中對M-進行16次取平均加中值濾波的AD轉(zhuǎn)換，如果轉(zhuǎn)換的結(jié)果接近于0，說明有一個或多個MOSFET擊穿，由故障指示燈指示該故障，作

35、為硬件故障處理。（18）通用型手持編程器 提供完整的參數(shù)設定和功能設定，同時能夠讀取歷史故障和監(jiān)控信息。3.3 無刷直流電動機無刷直流電動機是用電子換向裝置代替了有刷直流電動機的機械換向裝置，保留了有刷直流電動機寬闊而平滑的優(yōu)良調(diào)速性能，克服了有刷直流電動機機械換向帶來的一系列的缺點，體積小，重量輕，可作成各種體積形狀，高效率，高轉(zhuǎn)矩，高精度，數(shù)字式控制，是最理想的調(diào)速電機之一，在電動汽車上有著廣泛的應用前景。1 .無刷直流電動機的分類 無刷直流電動機按照工作特性，可以分為具有直流電動機特性的無刷直流電動機和具有交流電動機特性的無刷直流電動機。(1)具有直流電動機特性的無刷直流電動機 具有直流

36、電動機特性的無刷直流電動機，反電動勢波形和供電電流波形都是矩形波，所以又稱為矩形波同步電動機。這類電動機由直流電源供電，借助位置傳感器來檢測主轉(zhuǎn)子的位置，由所檢測出的信號去觸發(fā)相應的電子換相線路以實現(xiàn)無接觸式換相。顯然，這種無刷直流電動機具有有刷直流電動機的各種運行特性。1 .無刷直流電動機的分類(2)具有交流電動機特性的無刷直流電動機具有交流電動機特性的無刷直流電動機，反電動勢波形和供電電流波形都是正弦波，所以又稱為正弦波同步電動機。這類電動機也由直流電源供電，但通過逆變器將直流電變換成交流電，然后去驅(qū)動一般的同步電動機。因此，它們具有同步電動機的各種運行特性。下面介紹的無刷直流電動機主要是

37、指具有直流電動機特性的無刷直流電動機。2 .無刷直流電動機結(jié)構(gòu)與特點 1無刷直流電動機的結(jié)構(gòu) 無刷直流電動機主要由電動機本體、電子換相器和轉(zhuǎn)子位置傳感器三部分組成。(1)電動機本體 無刷直流電動機的電動機本體由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。定子是電動機本體的靜止部分，它由導磁的定子鐵芯、導電的電樞繞組及固定鐵芯和繞組用的一些零部件、絕緣材料、引出部分等組成，如機殼、絕緣片、槽鍥、引出線及環(huán)氧樹脂等。 轉(zhuǎn)子是電動機本體的轉(zhuǎn)動部分，是產(chǎn)生激磁磁場的部件，由永磁體、導磁體和支撐零部件組成。 2 .無刷直流電動機結(jié)構(gòu)與特點（2）電子換相器 電子換相器是由功率開關(guān)和位置信號處理電路構(gòu)成，主要用來控制定子各繞組通

38、電的順序和時間。無刷直流電動機本質(zhì)上是自控同步電動機，電動機轉(zhuǎn)子跟隨定子旋轉(zhuǎn)磁場運動，因此，應按一定的順序給定子各相繞組輪流通電，使之產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的定子磁場。無刷直流電動機的三相繞組中通過的電流是120度電角度的方波，繞組在持續(xù)通過恒定電流的時間內(nèi)產(chǎn)生的定子磁場在空間是靜止不動的。2 .無刷直流電動機結(jié)構(gòu)與特點 而在開關(guān)換相期間，隨著電流從一相轉(zhuǎn)移到另一相，定子磁場隨之跳躍了一個電角度。而轉(zhuǎn)子磁場則隨著轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)。這兩個磁場的瞬時速度不同，但是平均速度相等，因此能保持“同步”。無刷直流電動機由于采用了自控式逆變器即電子換相器，電動機輸入電流的頻率和電動機轉(zhuǎn)速始終保持同步，電動機和逆變器不會產(chǎn)生震

39、蕩和失步，這也是無刷直流電動機的優(yōu)點之一。 一般來說，對電子換向器的基本要求是：結(jié)構(gòu)簡單；運行穩(wěn)定可靠；體積小，重量輕；功耗??；能按照位置傳感器的信號進行正確換向，并能控制電動機的正反轉(zhuǎn)；應能長期滿足不同環(huán)境條件的要求。2 .無刷直流電動機結(jié)構(gòu)與特點（3）位置傳感器位置傳感器在無刷直流電動機中起著檢測轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為功率開關(guān)電路提供正確的換相信息，即將轉(zhuǎn)子磁極的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)位置信號處理電路處理后控制定子繞組換相。由于功率開關(guān)的導通順序與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步，因而位置傳感器與功率開關(guān)一起，起著與傳統(tǒng)有刷直流電動機的機械換向器和電刷相類似的作用。2 .無刷直流電動機結(jié)構(gòu)與特點 位置傳感器

40、的種類比較多，可分為電磁式位置傳感器、光電式位置傳感器、磁敏式位置傳感器等。電磁式傳感器具有輸出信號大、工作可靠、壽命長等優(yōu)點，但其體積比較大，信噪比較低且輸出為交流信號，需整流濾波后才能使用。光電式位置傳感器性能比較穩(wěn)定、體積小、重量輕，但對環(huán)境要求較高。磁敏式位置傳感器的基本原理為霍爾效應和磁阻效用，它對環(huán)境適應性很強，成本低廉，但精度不高。2 .無刷直流電動機結(jié)構(gòu)與特點2無刷直流電動機的特點 無刷直流電動機作為電動汽車用電動機，具有以下優(yōu)點：（1）外特性好，非常符合電動汽車的負載特性，尤其是具有低速大轉(zhuǎn)矩特性，能夠提供大的起動轉(zhuǎn)矩，滿足電動汽車的加速要求；（2）可以在低、中、高寬速度范圍

41、內(nèi)運行，而有刷電動機由于受機械換向的影響，只能在中低速下運行；（3）效率高，尤其是在輕載車況下，仍能保持較高的效率，這對珍貴的電池能量是很重要的；（4）過載能力強，比Y系列電動機可提高過載能力2倍以上，滿足電動汽車的突起堵轉(zhuǎn)需要；2 .無刷直流電動機結(jié)構(gòu)與特點（5）再生制動效果好，因無刷直流電動機轉(zhuǎn)子具有很高的永久磁場，在汽車下坡或制動時電動機可完全進入發(fā)電機狀態(tài)，給電池充電，同時起到電制動作用，減輕機械剎車負擔；（6）體積小、重量輕、比功率大，可有效地減輕重量、節(jié)省空間；（7）無機械換向器，采用全封閉式結(jié)構(gòu)，防止塵土進入電動機內(nèi)部，可靠性高；（8）控制系統(tǒng)比異步電動機簡單。 缺點是電動機本身

42、比交流電動機復雜，控制器比有刷直流電動機復雜。3. 無刷直流電動機的工作原理 無刷直流電動機的工作原理與有刷直流電動機的工作原理基本相同。它是利用電動機轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出信號控制電子換向線路去驅(qū)動逆變器的功率開關(guān)器件，使電樞繞組依次饋電，從而在定子上產(chǎn)生跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場，拖動電動機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。同時，隨著電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子位置傳感器又不斷送出位置信號，以不斷的改變電樞繞組的通電狀態(tài)，使得在某一磁極下導體中的電流方向保持不變，這樣電動機就旋轉(zhuǎn)起來了。3. 無刷直流電動機的工作原理無刷直流電動機的工作原理圖。4. 無刷直流電動機的數(shù)學模型無刷直流電動機的基本物理量有電磁轉(zhuǎn)矩、電樞電流、電動勢和轉(zhuǎn)速

43、等。這些物理量的表達式與電動機氣隙磁場分布、繞組形式有密切關(guān)系。下面以兩相導通星型三相六狀態(tài)為例，分析無刷直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩、電樞電流和電動勢等特性。為了便于分析，不考慮開關(guān)管的開關(guān)動作的過渡和電樞繞組的電感。4. 無刷直流電動機的數(shù)學模型1電樞繞組感應電動勢單根導體在氣隙磁場感應電動勢為 式中 ， 為氣隙磁感應強度； 為導體有效長度； 為導體相對于磁場的線速度。導體相對于磁場的線速度為 式中， 為電動機轉(zhuǎn)速； 為電樞內(nèi)徑； 為極距； 為極對數(shù)。 4. 無刷直流電動機的數(shù)學模型設電樞繞組每相串連匝數(shù)為 ，則每相繞組的感應電動勢為方波氣隙磁感應強度對應的每極磁通為式中， 為計算極弧系數(shù)。 則有

44、每相繞組感應電動勢為4. 無刷直流電動機的數(shù)學模型電樞感應電動勢為式中， 為電動勢常數(shù)。4. 無刷直流電動機的數(shù)學模型2.電樞電流 在每個導通時間內(nèi)，電壓平衡方程式為式中， 為電源電壓； 為開關(guān)管飽和壓降； 為每相繞組電流； 為每相繞組電阻。電樞電流為4. 無刷直流電動機的數(shù)學模型 3電磁轉(zhuǎn)矩在任一時刻，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩 由兩相繞組的合成磁場與轉(zhuǎn)子永磁場相互作用而產(chǎn)生，則 式中， 為電動機的角速度。 則電磁轉(zhuǎn)矩為 式中， 為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。4. 無刷直流電動機的數(shù)學模型4轉(zhuǎn)速電動機轉(zhuǎn)速為由于無刷直流電動機的氣隙磁場、反電動勢以及電流是非正弦的，因此采用直交軸坐標變換已不是有效的方法。通常，直接利用電

45、動機本身的相變量來建立數(shù)學模型。該方法既簡單又具有較好的準確度。4. 無刷直流電動機的數(shù)學模型為簡化分析，建立無刷直流電動機數(shù)學模型時，假設（1）電動機定子繞組為三項Y型接法，三相繞組完全對稱；（2）轉(zhuǎn)子磁鋼的磁性能一致；（3）三相反電動勢波形完全一致；（4）三相定子繞組的電阻、電感相同，且不受電流變化的影響；（5）磁路不飽和，不計渦流損耗和磁滯損耗，不計定子斜槽的影響，不計電樞反應。4. 無刷直流電動機的數(shù)學模型無刷直流電動機的等效電路如圖4. 無刷直流電動機的數(shù)學模型建立無刷直流電動機數(shù)學模型 （1）電壓方程 根據(jù)無刷直流電動機的等效電路圖，可以得到三相繞組的電壓平衡方程式為 式中 ， ，

46、 為定子相繞組電壓； ， ， 定子相繞組相電流； ， ， 為定子相繞組電動勢；為每相繞組的電阻； 為每相繞組的自感； 為每兩相繞組間的互感； 為微分算子 。4. 無刷直流電動機的數(shù)學模型由于轉(zhuǎn)子磁阻不隨轉(zhuǎn)子位置變化而變化，因而定子繞組的自感和互感為常數(shù)。當三相繞組為Y連接，且沒有中線，則有并且由此得到電壓方程為4. 無刷直流電動機的數(shù)學模型（2）電磁轉(zhuǎn)矩方程無刷直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩方程與普通直流電動機相似，其電磁轉(zhuǎn)矩大小與磁通和電流幅值成正比，即4. 無刷直流電動機的數(shù)學模型為產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，要求定子電流為方波，反電動勢為梯形波，且在每半個周期內(nèi)，方波電流的持續(xù)時間為120電角度，梯形波的

47、反電動勢的平頂部分也要持續(xù)120電角度以上，二者應嚴格同步。在理想情況下，任何時刻定子繞組只有兩相導通，且每一相電流和反電動勢數(shù)值完全相等方向完全相反，則電磁功率為式中， 為定子繞組各相電動勢的幅值； 為定子繞組各相電流的幅值。 4. 無刷直流電動機的數(shù)學模型電磁轉(zhuǎn)矩又可寫成無刷直流電動機通電期間，帶電導體處于相同的磁感應強度下，電樞每相繞組的感應電動勢為式中， 為電樞繞組每相串聯(lián)導體數(shù)； 為電動勢系數(shù)。 4. 無刷直流電動機的數(shù)學模型 因此，電磁轉(zhuǎn)矩可表示為式中， 為轉(zhuǎn)矩系數(shù)。 4. 無刷直流電動機的數(shù)學模型（3）運動方程在忽略轉(zhuǎn)動時的粘滯系數(shù)的情況下，無刷直流電動機的運動方程可寫為式中，

48、為發(fā)動機的額定轉(zhuǎn)矩； 為負載轉(zhuǎn)矩； 為電動機軸上轉(zhuǎn)動慣量的總和。4. 無刷直流電動機的數(shù)學模型（4）機械特性無刷直流電動機的機械特性為無刷直流電動機與有刷直流電動機的機械特性類似，通過調(diào)節(jié)電樞電流可以達到轉(zhuǎn)矩控制，同時通過調(diào)節(jié)電源電壓可以實現(xiàn)無刷直流電動機的調(diào)速控制。5.無刷直流電動機的控制1無刷直流電動機的控制方法按照獲取轉(zhuǎn)子位置信息的方法劃分，無刷直流電動機的控制方法可以分為有位置傳感器控制和無位置傳感器控制兩種。（1）有位置傳感器控制 有位置傳感器控制方法是指在無刷直流電動機定子上安裝位置傳感器來檢測轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中的位置，將轉(zhuǎn)子磁極的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號，為電子換相電路提供正確的換相信息

49、，以此控制電子換相電路中的功率開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)，保證電動機各相按順序?qū)?，在空間形成跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。5.無刷直流電動機的控制 無刷直流電動機中常用的位置傳感器有霍爾元件位置傳感器、磁敏晶體管位置傳感器、光電式位置傳感器等。 1）霍爾元件位置傳感器 將霍爾元件作為位置傳感器時，將其安裝在電動機氣隙內(nèi)的定子側(cè)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，穿過霍爾元件的磁場強度將會發(fā)生周期性變化?；魻栐妮敵鲭妱觿菀矔鄳陌l(fā)生變化。通過檢測這個電動勢就可以獲得電動機轉(zhuǎn)子的位置?；魻栐杀镜?，性能優(yōu)良，是最為常用的一種電動機轉(zhuǎn)子位置傳感器。5.無刷直流電動機的控制 2）磁敏晶體管位置傳感器磁敏

50、晶體管是一種對它所在位置的磁場強度大小敏感的半導體元件。常見的有磁敏二極管和磁敏三極管。以磁敏二極管為例，當給它加以正向偏置時，受外界磁場強度的影響，它的正向壓降變化很顯著。當磁敏二極管用作電動機轉(zhuǎn)子位置傳感器時，也安裝在氣隙內(nèi)定子側(cè)。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)引起穿過磁敏二極管的磁場強度發(fā)生變化，磁敏二極管的正向壓降也隨之發(fā)生變化，檢測這個壓降就可以確定電動機的轉(zhuǎn)子位置。5.無刷直流電動機的控制 3）光電式位置傳感器光電式位置傳感器是利用光電效應而制成的，它與電動機同軸安裝，由跟隨電動機轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的遮光板和固定不動的光源及光敏管組成，在遮光板上開有120左右電角度的透光縫。當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到一定的位置，遮光板擋住

51、光源時，光電管只能通過“暗電流”。當透光縫轉(zhuǎn)到光源與光電管之間時，光電管中流過“亮電流”。這樣，遮光板隨著轉(zhuǎn)子位置信息就反映在了光電管中的電流上，檢測光電管流過的電流就可以得到電動機的轉(zhuǎn)子位置信號。光電式位置傳感器性能較穩(wěn)定，但對使用環(huán)境的要求較高。5.無刷直流電動機的控制有位置傳感器控制方法和控制電路都比較簡單，控制系統(tǒng)成本低，獲得了比較廣泛的應用。然而，有位置傳感器控制方法有其自身不可避免的許多缺點。由于位置傳感器的存在，使電動機結(jié)構(gòu)變得復雜，增加了電動機成本；電動機與控制部分的連接線增加，降低了系統(tǒng)的可靠性，且維修困難；在高溫、冷凍、濕度大、有腐蝕物質(zhì)、空氣污濁等工作環(huán)境及振動、高速運行

52、等工作條件下，都會降低傳感器的可靠性；若傳感器損壞，還可能連鎖反應引起逆變器等器件的損壞；傳感器的安裝精度對電動機的運行性能有較大的影響，相對增加了生產(chǎn)工藝的難度。 由此可見，雖然有位置傳感器的驅(qū)動方式簡單、方便，但在很多特殊場合，無法使用傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置。因此位置傳感器的存在，在一定程度上限制了無刷直流電動機的進一步推廣和應用。5.無刷直流電動機的控制 （2）無位置傳感器控制無刷直流電動機的無位置傳感器控制，無需安裝傳感器，使用場合廣，相對于有位置傳感器方法有較大的優(yōu)勢，因此，無刷直流電動機的無位置傳感器控制近年來己成為研究的熱點。無刷直流電動機的無位置傳感器控制中，不直接使用轉(zhuǎn)子位置傳感

53、器，但在電動機運轉(zhuǎn)過程中，仍然需要轉(zhuǎn)子位置信號，以控制電動機換相。因此，如何通過軟硬件間接獲得可靠的轉(zhuǎn)子位置信號，成為無刷直流電動機無位置傳感器控制的關(guān)鍵。為此，國內(nèi)外的研究人員在這方面作了大量的研究工作，提出了多種轉(zhuǎn)子位置信號檢測方法，大多是利用檢測定子電壓、電流等容易獲取的物理量實現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的估算。歸納起來，可以分為反電動勢法、電感法、狀態(tài)觀測器法、電動機方程計算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡法等。5.無刷直流電動機的控制反電動勢法是通過檢測電動機輸出的反電動勢來確定轉(zhuǎn)子的位置，使電動機正確換相?，F(xiàn)在的無傳感器控制中，大部分使用的是這種方法。按照對反電動勢處理方法的不同，它又分為反電動勢過零檢測法、反電

54、動勢積分法、反電動勢三次諧波法等。 1）反電動勢過零檢測法在無刷直流電動機中，定子繞組的反電動勢為梯形波，且正負交變；繞組反電動勢發(fā)生過零后，延遲對應于30電角度的時間，即為電動機換相時刻。因此，只要檢測到各相反電動勢的過零點，即可獲知轉(zhuǎn)子的若干個關(guān)鍵位置，實現(xiàn)無位置傳感器無刷直流電動機換相控制。5.無刷直流電動機的控制通常，無刷直流電動機運行中，在任意時刻逆變器中總有一相的功率管器件全部關(guān)斷，處于懸空狀態(tài)，繞組反電勢的過零點就發(fā)生在該相繞組懸空的時間段內(nèi)，此時，只要檢測繞組中相電壓的變化，即可檢測到反電勢過零點。這種通過檢測無刷直流電動機相電壓獲得反電動勢的方法，由于成本或工藝的原因，大多數(shù)

55、無刷直流電動機不引出繞組中點，反電動勢過零檢測法主要通過檢測電動機端電壓獲取反電動勢過零。其方法有低通濾波法、PWM關(guān)斷檢測法、數(shù)字計算法等。反電動勢過零檢測法是目前應用最廣泛的無位置傳感器無刷直流電動機控制方法。5.無刷直流電動機的控制 2）反電動勢積分法這種檢測方法是通過電動機不導通相反電動勢的積分來獲取位置信息，當截止相反電動勢過零時開始對其絕對值積分，當積分值達到一個設定的閾值時停止積分，便獲得了轉(zhuǎn)子位置，并對應于定子繞組的換流時刻。該方法對于開關(guān)噪聲不敏感，積分閾值可以根據(jù)轉(zhuǎn)速信號自動調(diào)節(jié)，低速時反電動勢信號很弱，也需要采取開環(huán)起動方式。有人提出了相似的反電動勢邏輯電平積分比較法，將

56、兩路導通相反電動勢進行過零比較處理，得到邏輯電平后再對兩路邏輯電平進行積分，這兩個積分值之間的關(guān)系實際上反映了相位關(guān)系，從而確定出轉(zhuǎn)子的磁極位置。這種方法只需檢測非導通相反電動勢的極性，有利于改善低速性能，調(diào)速范圍可以達到101500r/min。5.無刷直流電動機的控制 3）反電動勢三次諧波檢測法無刷直流電動機的梯形波反電動勢包含基波以及其它高次諧波分量。將三相反電動勢相加，可以消去基波分量以及五次、七次諧波分量，剩下三次諧波以及其它高次諧波分量。無論轉(zhuǎn)速以及負載的情況，三次諧波分量和轉(zhuǎn)子磁通都保持一個固定的相位關(guān)系，并且不受逆變器開關(guān)噪聲的影響，因此是一種可靠的檢測方法。三次諧波頻率是基波頻

57、率的三倍，因此，相對于一般的反電動勢檢測方法，反電動勢三次諧波檢測方法可以檢測更低的轉(zhuǎn)速；電機起動也相對容易；三次諧波法只需要一個很小的濾波器就可以，因而相比反電動勢過零點檢測法，受濾波延遲的影響較小，可以在更寬的調(diào)速范圍內(nèi)，具有很好的性能。5.無刷直流電動機的控制 4）通過續(xù)流二極管間接檢測反電動勢在三相、星型、六狀態(tài)的無刷直流電機中，當采用斬波方式對電動機進行控制時，非導通相的反電動勢將使續(xù)流二極管中有電流流過，且續(xù)流二極管在兩次換相的中點時刻開始導通或者停止導通，這恰好是非導通相反電動勢的過零點。因此，可以通過檢測非導通相的續(xù)流二極管是否導通間接的檢測反電動勢的過零點。這種檢測方法比直接

58、檢測反電動勢過零點要精確，因而可以在一個很寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)有效，包括很低的轉(zhuǎn)速，但不能為零。由于可以在很低的轉(zhuǎn)速時工作，因此這種方法也使得電動機起動要比其它方法簡單。這種方法最大的缺點是必須提供六個用于比較電路的隔離電源。5.無刷直流電動機的控制2無刷直流電動機的控制技術(shù)隨著電動機及驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展，控制系統(tǒng)趨于智能化和數(shù)字化，使得許多較復雜的控制技術(shù)得以實現(xiàn)。這些控制技術(shù)的實現(xiàn)又進一步推動了無刷直流電動機在各個工業(yè)領(lǐng)域更好地應用，為無刷直流電動機的發(fā)展打開了廣闊的前景。目前，應用到無刷直流電動機控制系統(tǒng)的控制技術(shù)主要有PID控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡控制等。5.無刷直流電動機的控制 1）PID控制

59、技術(shù)在古典控制理論中，應用最成功的是PID控制。它是一種在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應用的常規(guī)控制算法，屬于線性控制。這種控制方式的最大優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。該算法由于其簡單實用而被廣大工程技術(shù)人員所熟悉。傳統(tǒng)的無刷直流電動機調(diào)速通常采用PID控制，它算法簡單，參數(shù)調(diào)整方便具有較好的控制精度。5.無刷直流電動機的控制 2）模糊控制技術(shù)所謂模糊控制，是指在控制方法上應用模糊集理論、模糊語言變量及模糊邏輯推理來模擬人的模糊思維方法，用計算機實現(xiàn)與操作者相同的控制。模糊控制技術(shù)不依賴于精確的數(shù)學模型，對參數(shù)變換不敏感，適用性強，具有很好的魯棒性，它通過把專家的經(jīng)驗或手動操作人員長期積累的經(jīng)驗總結(jié)成若干條規(guī)則

60、，采用簡便、快捷、靈活的手段來完成那些用經(jīng)典和現(xiàn)代控制理論難以完成的自動化和智能化的目標。模糊控制技術(shù)應用于無刷直流電動機的調(diào)速系統(tǒng)，可以克服PID控制器在工作環(huán)境不穩(wěn)定，負載或參數(shù)變化時，控制效果不佳的問題。另外，模糊控制與PID控制結(jié)合可以設計出性能更好的控制器。5.無刷直流電動機的控制 3）神經(jīng)網(wǎng)絡控制技術(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡是模擬人腦神經(jīng)細胞的神經(jīng)元廣泛互連而成的網(wǎng)絡。由于神經(jīng)網(wǎng)絡辨識電動機參數(shù)不依賴于精確的數(shù)學模型，具有很高的控制精度，因而在模式識別、參數(shù)辨識領(lǐng)域中得到了廣泛的應用。目前已有神經(jīng)網(wǎng)絡模糊PID控制器應用于無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的實例。該系統(tǒng)利用神經(jīng)網(wǎng)絡所具有的任意非線性表示能力，