无刷直流电机

1、无刷直流电动机及其控制系统n无刷直流电动机系统 n无刷直流电动机的主电路及工作方式n无刷直流电动机的电枢反应n无刷直流电动机的基本关系n无刷直流电动机的运行特性n无刷直流电动机的转矩脉动n无刷直流电动机的位置信号检测n无刷直流电动机的控制原理及其实现无刷直流电动机的特点与感应电动机相比:n由于采用高性能永磁材料,无刷直流电动机转子体积得以减小,可以具有较低的惯性,更快的响应速度,更高的转矩/惯量比.n由于没有转子损耗,也无需定子励磁电流分量,所以无刷直流电动机具有较高的效率和功率密度.n由于没有转子发热,无刷直流电动机也无需考虑转子冷却问题.n尽管感应电动机系统应用较为普遍和成熟,但由于其非线

2、性本质,控制系统极为复杂.而无刷直流电动机则将交流电动机复杂的磁场定向控制转化为离散六状态的转子位置控制,也无需坐标变换.无刷直流电动机的特点与永磁同步电动机相比:n无刷直流电动机采用方波电流供电,可以提供更高的转矩/体积比,相同条件下输出转矩大15%.n在电动机中产生梯形波的磁场分布和感应电动势要比产生正弦波的磁场分布和电动势简单.n对于永磁同步电动机,由于定子电流是转子位置的正弦函数,系统需要更高分辨率的位置传感器,构造复杂,价格昂贵.n产生方波电压和电流的变频器比产生正弦波电压和电流的变频器简单,控制也简单得多,因此无刷直流电动机控制简单,控制器成本较低.无刷直流电动机的特点与有刷直流电

3、动机相比:n可靠性高,寿命长.n不必经常维护和修理.n无电气接触火花,无线电干扰少.n可工作于高真空,不良介质环境.n可在高转速下工作,专门设计的高速无刷直流电动机的工作转速可达每分钟10万转以上.n机械噪声低.n发热的绕组安装在定子上,有利于散热,便于温度监控,一得到更高的功率密度.n必须与一定的电子换向线路配套使用,从而使总成本增加,但从控制的角度看,有更大的使用灵活性.、无刷直流电动机系统 1.1 无刷直流电动机的组成1.2 无刷直流电动机的基本工作原理1.3 无刷直流电动机的比较1.4 无刷直流电动机的特点1.5 无刷直流电动机的发展情况1.6 无刷直流电动机的应用与研究方向无刷直流电

4、动机的组成n无刷直流电动机是一直典型的机电一体化产品,它是由电动机本体,位置检测器,逆变器和控制器等组成.电动机主体n无刷直流电动机的电机本体是一种永磁同步电动机,其主要特征是气隙磁场波形与电枢电流波形为方波.在体积相同的条件下,无刷直流电动机比正弦波供电永磁同步电机出力大15%左右,但无刷直流电动机存在转矩脉动.位置检测器n位置检测器包括有位置传感器检测和五位置传感器检测两种方式.最常见的位置传感器是霍尔开关式位置传感器,目前比较成熟的无转子位置传感器控制方法主要有反电动势过零检测法和定子三次谐波检测法等.逆变器n逆变器主电路有桥式和非桥式两种,而电枢绕组既可以接成星形也可以接成角形,因此电

5、枢绕组与逆变器主电路的连接可以有多种不同的组合.n无刷直流电动机最常见的工作方式是星形两相导通三相六状态.控制器n主要功能:(1)对转子位置检测器输出的信号,PWM调制信号,正反转和停车信号进行逻辑综合,为驱动电路提供各开关管的斩波信号和选通信号,实现电机的正反转及停车控制.(2)产生PWM调制信号,使电机的电压随给定速度信号而自动变化,实现电机开环调速.(3)对电机进行速度闭环调节和电流闭环调节,使系统具有较好的动态和静态性能.(4)实现短路,过流,过电压和欠电压等故障保护功能.n主要形式:(1)分立元件加少量集成电路构成的 模拟控制系统.(2)基于专用集成电路的控制系统.(3)数模混合控制

6、系统和全数字控制系统. 2、 无刷直流电动机的主电路及 工作方式2.1 星形连接三相半桥主电路2.2 星形连接三相桥式主电路2.3 角形连接三相桥式主电路三相无刷直流电机控制系统三相无刷直流电机控制系统 n三相无刷直流电机的控制系统,主要由永磁无刷直流电机、整流器、逆变器、位置传感器和控制器几部分组成。A相、B相、C相绕组分别与功率开关管(VT1 ,VT4 ), (VT3 ,VT6 ),(VT5 ,VT2 )相接,磁极位置传感器跟踪转子与电动机转轴相连接。无刷直流电动机的工作是通过逆变器功率管按一定的规律导通关断,使电机定子电枢产生按60角度不断前进的磁势,带动电机转子旋转实现的。逆变器功率管

7、共有6种触发组合状态,每种触发组合状态只有与确定的转子位置相对应, 才能产生最大的平均电磁转矩。两个磁势向量当其夹角为90时,相互作用力最大。而电子电枢产生的磁势是以60角度前进,因此在每种触发模式下,转子磁势与定子磁势的夹角在12060之间变化才能产生最大的平均电磁转矩。 3、 无刷直流电动机的电枢反应无刷直流电动机的电枢反应 4、 无刷直流电动机的基本关系4.1 无刷直流电动机的微分方程模型4.2 无刷直流电动机的传递函数模型4.2 无刷直流电动机的反电动势4.3 无刷直流电动机稳态性能的动态模拟4.4 无刷直流电动机稳态性能的简化分析无刷直流电机的数学模型无刷直流电机的数学模型n由于BL

8、DCM 的气隙磁场、反电势以及电流波形是非正弦的,因此采用直、交轴坐标变化不是很有效的分析方法。 通常直接利用电机本身的相变量来建立数学模型。假设： 三相绕组完全对称； 磁路不饱和； 不计涡流和磁滞损耗； 忽略齿槽效应。 则可以建立相应的BLDCM的数学模型。4.1 无刷直流电动机的微分方程模型n对象： 两相、三相； Y接法，集中整距绕组； 转子隐极内转子结构（气隙均匀）； 磁感应开关器件对称放置。n假设： 磁路不饱和； 不计涡流和磁滞损耗； 忽略齿槽效应； 不计电枢反应影响； 磁场理想分布； 驱动系统的功率管的开关特性理想的。 （1） 电动势方程：（正方向是同步电机方向）n式中,ua、ub、

9、uc 三相绕组的端电压(V ) nia、ib、ic 三相绕组的相电流(A ) nea、eb、ec 三相绕组的反电势(V )nun 中性点电压(V ) nL 相绕组自感( H ) nM 每两相绕组间的互感( H ) np 微分算子,p =d/dtn由于三相绕组为星形连接,则有:n所以得方程式： n据此可以得无刷直流电机的等效电路：电动势关系：mEaAmancefe)(n电磁功率和电磁转矩为：BJTTiKTdtdleaTe 三相反电动势与转子位置角对应关系图三相反电动势与转子位置角对应关系图4.2 无刷直流电动机的传递函数模型n忽略换向过程的影响；n两相工作模式： iiiBAedtdiaaABkL

10、irUTTevaTvaaTaKKKbrdtdKBLJrdtdKLdABUU22BJTTdtdle传递函数的表述：)*/()()()()(*)(*)(*)(veSlrSKsuTeBsJsTssIsIKsTAaed传递函数模型)*()*(*)()(2)(eTvavaaatdKKBrsBLJrsJLKsUsusG2222)*(*)(nnneTvatssKKBrKusG)1*)(1*(1)*(*)(emeTvattstsKKBrKusG模型的分析n系统结构框图；n标准二阶系统表述；n结果分析；nTl的影响分析； 5、 无刷直流电动机的运行特性5.1 无刷直流电动机的工作特性5.2 无刷直流电动机的调节

11、特性5.3 无刷直流电动机的机械特性5.4 无刷直流电动机的启动特性5.5 无刷直流电动机的动态性能5.1 无刷直流电动机的工作特性nUd=常数时；)(eTf)(eaTfI5.2 无刷直流电动机的调节特性nTe=常数时； n 和 Ud 的关系。5.3 无刷直流电动机的机械特性nUd =常数时； n 和 Te 的关系。5.4 无刷直流电动机的启动特性n在 Ud 的作用下，电机转速达到稳定的过程， 即：转速和电流与时间的关系。n三个特点： 电流大小； 转速 n 和相对阻尼比的关系； 驱动器件的选择。5.5 无刷直流电动机的动态性能n驱动方式；n模型（正常工作时）；n续流情况（续流工作时）；n仿真计

12、算； 6、 无刷直流电动机的转矩波动与抑制6.1 转矩脉动的分类6.2 齿槽转矩波动的抑制6.3 换相转矩波动的抑制6.1 转矩脉动的分类和影响n换相的影响；n齿槽的影响；n电磁因素的影响；n电枢反应的影响；n机械工艺的影响；n影响： 产生躁声振动； 不利整体性能； 降低电机寿命； 降低驱动系统的可靠性； 制约在高精度、高稳定场合的应用。n定义：%100*minmaxNTTTrT6.2 齿槽转矩波动的抑制n电磁、齿槽、电枢、工艺的因素，可以通过电机本体的合理设计，以及提高工艺水平，减小电机的转矩波动；n例如： 斜槽法、斜极法、磁性槽楔法、减小槽口宽度法、分数槽法、改变极弧宽度法、改变磁极位置法

13、、6.3 换相转矩波动的抑制n换相期间电流变化引起转矩波动； （反电动势变化的问题）n例如： 换相策略、自抗扰技术、Bp神经网络、模糊算法等等、换相暂态分析n换相过程中，I 和 e 均发生变化，有相互的影响。n是转矩波动的原因。n例: （驱动方式） （电机运行方式） （电机结构） （全桥驱动、Y接法、三相）过程分析：n稳态（A、C两相绕组通电）：/2/20EIieTeeiiiCCeCABAC过程分析：n换相开始（AB），A相续流、B相投入：00)(ABBACBAdCBxdtdixxUUUiiiUUUeMLRiUx过程分析：xxdddieeMLEUCMLEUBMLEUATtIititIi)(34

14、)(3)(2)(32换相时的电流和转矩过程分析：n转速和换相的关系：)(2/)(3)2/()(321EUIMLtEUIMLtdfdf过程分析：n换相对转距的影响；)()(3422tIiTiiiTMLEUECEeCBAEieedxx7 、无刷直流电动机的位置信号检测7.1 转子位置传感器7.2 常用的无位置传感器位置检测方法7.3 利用反电动势检测转子位置7.1 转子位置传感器n电磁式；n磁敏式；n光电式；7.2 常用的无位置传感器位置检测方法n反电动势检测法；n瞬时电压方程法；n三次谐波检测法；n续流二极管工作状态检测法；7.3 利用反电动势检测转子位置n用端电压法检测反电动势过零点；n用相电

15、压法检测反电动势过零点；n过零点的确定。 8 无刷直流电动机的控制原理 及其实现8.1 无刷直流电动机控制系统原理8.2 数字控制系统中PID控制算法的实现8.3 PWM调制方式8.4 控制系统的实现8.1 无刷直流电动机控制系统原理n无刷直流电动机控制系统设计一般步骤： (1)、了解电机的特性，明确设计指标和设计任务。 (2)、采用逐步细化的方法，设计逆变器、位置检测器和控制器的硬件电路及其各部分电路之间的接口。 (3)、设计控制软件。 (4)、综合调试。在调试过程中，逐步排除设计的软硬件错误，完善设计方案，直至达到设计指标的要求。8.1 无刷直流电动机控制系统原理n是自控制式；n逆变器的变

16、频是自动完成的；n转速的控制通过转矩的控制实现，即可以通过对电机的输入电压的控制来实现；n一般采用 PWM 方式，控制逆变器输出的平均电压值；n电机一般系统采用：转速、电流双闭环控制。8.2 数字控制系统中PID控制算法的实现n线性控制策略；n算法简单、鲁棒性好、可靠性高、参数易整定；n常用 PI 或 PD 方式；（例：PI 方式优缺点）n提高控制的可靠性，采用数字 PID 控制器； （位置式算法）、（增量式算法）8.2 数字控制系统中PID控制算法的实现nPID 的参数整定： 1）、比例积分微分的参数整定顺序； 2）、Ki=0，系统响应稳定，微分环节的调 整，改善系统的动态响应会静态稳定性； 3）、三个参数是相互联系的； 4）、采样周期的选择； 5）、PID 性能扩展的问题。8.2 数字控制系统中PID控制算法的实现nPID 控制器的设计： 1）、工作环境和目标的考虑； 2）