[工学]第4章2无刷直流电机传感器及驱动ppt课件

1、第四章 无刷直流电动机及其控制系统n引言引言n有刷直流电动机的电磁关系有刷直流电动机的电磁关系n无刷直流电动机系统构造及原理无刷直流电动机系统构造及原理n无刷直流电动机的位置传感器无刷直流电动机的位置传感器n无刷直流电动机系统的功率驱动电路无刷直流电动机系统的功率驱动电路n无刷直流电动机控制系统及运用无刷直流电动机控制系统及运用内容提要内容提要4.3 无刷直流电动机位置传感器无刷直流电动机位置传感器1、位置传感器的作用、位置传感器的作用 经过检测磁极与定子各相绕组的轴线位置，控制电经过检测磁极与定子各相绕组的轴线位置，控制电机定子绕组的通电方向。机定子绕组的通电方向。 方波运转用位置传感器：特

2、征点位置信号方波运转用位置传感器：特征点位置信号 正弦波运转用位置传感器：延续位置信号正弦波运转用位置传感器：延续位置信号2、位置传感器的主要分类、位置传感器的主要分类 磁敏式磁敏式 光电式光电式 磁电式磁电式一、方波运转用位置传感器一、方波运转用位置传感器 开关型位置传感器开关型位置传感器 检测信号为方波检测信号为方波二、正弦波运转用位置传感器二、正弦波运转用位置传感器 跟踪型位置传感器跟踪型位置传感器 可以检测磁极的实时位置可以检测磁极的实时位置4.3 无刷直流电动机位置传感器无刷直流电动机位置传感器4.3 无刷直流电动机位置传感器无刷直流电动机位置传感器4.3.1 方波运转用位置传感器方

3、波运转用位置传感器检测信号为方波，只在检测信号为方波，只在转子位置的某些特征点转子位置的某些特征点产生跃变，经过简单的产生跃变，经过简单的逻辑变换就可以很方便逻辑变换就可以很方便地产生绕组电流导通逻地产生绕组电流导通逻辑信号功率开关控制辑信号功率开关控制信号信号单相通电方式位置信号单相通电方式位置信号4.3 无刷直流电动机的位置传感器无刷直流电动机的位置传感器4.3.1 方波运转用位置传感器方波运转用位置传感器1. 开关式霍尔传感器开关式霍尔传感器2. 红外光断续传感器红外光断续传感器1概述：概述： 霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，得到广泛的运用。可以检测磁

4、传感器，得到广泛的运用。可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场场及其变化，可在各种与磁场有关的场所中运用。霍尔器件以霍尔效应为其任所中运用。霍尔器件以霍尔效应为其任务根底。务根底。2特点：特点： 霍尔器件具有许多优点：构造结霍尔器件具有许多优点：构造结实，体积小，分量轻，寿命长，安装方实，体积小，分量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高，耐震动，不怕灰便，功耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。 1、开关式霍尔传感器、开关式霍尔传感器3霍尔元件 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在

5、垂直于电流和磁场的方向上将产生流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理景象称为霍尔效应。电动势，这种物理景象称为霍尔效应。霍尔元件的组成：由霍尔片、四根引线和壳体组成，霍尔元件的组成：由霍尔片、四根引线和壳体组成，如以下图示。如以下图示。3霍尔元件 3霍尔元件 几种典型构造几种典型构造 4丈量原理丈量原理 罚担罚 5产生位置信号的原理产生位置信号的原理开关式霍尔传感器开关式霍尔传感器4.3 无刷直流电动机的位置传感器无刷直流电动机的位置传感器2.2.红外光断续传感器红外光断续传感器4.3.1 方波运转方波运转1光电二极管光电二极管n任务原理与电池类似，利用光子引起的电子跃迁将光

6、信号任务原理与电池类似，利用光子引起的电子跃迁将光信号转变成电信号，光生电流与光强成正比。转变成电信号，光生电流与光强成正比。n光敏二极管的构造与普通二极管类似。光敏二极管的构造与普通二极管类似。 它装在透明玻璃外它装在透明玻璃外壳中壳中, 其其PN结装在管的顶部结装在管的顶部, 可以直接遭到光的照射。可以直接遭到光的照射。将光敏二极管的将光敏二极管的PN PN 结结设置在透明管壳顶部设置在透明管壳顶部的正下方的正下方任务原理任务原理n光照射在光照射在PN结上；结上；n无光照时无光照时, 反向电阻很大反向电阻很大, 反向电流很小暗电流。反向电流很小暗电流。n光照射光照射PN结时结时, 光子打在

7、光子打在PN结附近结附近, 使使PN结附近产生光生结附近产生光生电子和空穴对。它们在电子和空穴对。它们在PN结处的内电场作用下作定向运动结处的内电场作用下作定向运动, 构成光电流。光的照度越大构成光电流。光的照度越大, 光电流越大。光电流越大。n光敏二极管在不受光照射时光敏二极管在不受光照射时, 处于截止形状处于截止形状, 受光照射时受光照射时, 处处于导通形状。于导通形状。光光2光电三极管光电三极管n光电三极管比具有一样有效面积的光电二极管的光电三极管比具有一样有效面积的光电二极管的光电流大几十至几百倍，但呼应速度较二极管差。光电流大几十至几百倍，但呼应速度较二极管差。n任务原理任务原理n1

8、光电转换光电转换n2电流放大电流放大任务原理任务原理n光敏晶体管与普通晶体管很类似光敏晶体管与普通晶体管很类似, , 具有两个具有两个PNPN结结, , 只是它的只是它的基区一边做得很大基区一边做得很大, , 以扩展光的照射面积。以扩展光的照射面积。n当光照射在集电结上时当光照射在集电结上时, ,就会在结附近产生电子就会在结附近产生电子- -空穴对空穴对, , 从从而构成光电流而构成光电流, ,相当于三极管的基极电流。由于基极电流的添相当于三极管的基极电流。由于基极电流的添加加, , 因此集电极电流是光生电流的因此集电极电流是光生电流的倍倍, , 所以光敏晶体管有所以光敏晶体管有放大作用。放大

9、作用。n光敏三极管有两个光敏三极管有两个PN结。与普通三极管类似，有电流增结。与普通三极管类似，有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有引出线，只需正负引出线，只需正负c、e两个引脚，所以其外型与光敏两个引脚，所以其外型与光敏二极管类似，从外观上很难区别。二极管类似，从外观上很难区别。 2光电三极管光电三极管4.3.2 正弦波运转用位置传感器正弦波运转用位置传感器一、旋转变压器一、旋转变压器tVVms sin tKVKVVmsB sinsinsin 旋转变压器的任务波形旋转变压器的任务波形一、旋转变压器一、旋转变压器3. 旋转

10、变压器的种类旋转变压器的种类tpuutpuummsincossinsin21两相旋转变压器的输出电压两相旋转变压器的输出电压三相旋转变压器的输出电压三相旋转变压器的输出电压tpuutpuutpuummmsin)120sin(sin)120sin(sinsin03021一、旋转变压器一、旋转变压器一、旋转变压器一、旋转变压器4. 旋转变压器的公用数字芯片旋转变压器的公用数字芯片作用作用 将旋转变压器输出的模拟量信号转化为将旋转变压器输出的模拟量信号转化为数字信号数字信号型号：型号：AD2S80A一、旋转变压器一、旋转变压器AD2S80A内部构造图内部构造图AD2S80A衔接图衔接图 脉冲编码器是

11、一种旋转式角位移检测安装，脉冲编码器是一种旋转式角位移检测安装，能将机械转角变换成电脉冲。能将机械转角变换成电脉冲。 易于与数字电路接口易于与数字电路接口 本钱低廉本钱低廉 体积小，安装方便体积小，安装方便1. 编码器脉冲编码器分类编码器脉冲编码器分类脉冲编码器的分类脉冲编码器的分类增量式脉冲编码器增量式脉冲编码器绝对式脉冲编码盘绝对式脉冲编码盘光电式光电式接触式接触式电磁感应式电磁感应式光电式光电式接触式接触式电磁感应式电磁感应式1. 编码器脉冲编码器分类编码器脉冲编码器分类光电编码器光电编码器原理：一种角度角速度检测安装，它将原理：一种角度角速度检测安装，它将输入给轴的角度量，利用光电转换

12、原理转换输入给轴的角度量，利用光电转换原理转换成相应的电脉冲或数字量，成相应的电脉冲或数字量，优点：体积小，精度高，任务可靠优点：体积小，精度高，任务可靠,接口数接口数字化等字化等运用：广泛运用于数控机床、回转台、伺服运用：广泛运用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目的测定等需求传动、机器人、雷达、军事目的测定等需求检测角度的安装和设备中检测角度的安装和设备中 光电式脉冲编码器光电式脉冲编码器 数字显示 信号处理电路 光电盘 圆盘 光电元件 聚光镜 光源 2. 编码器的构造编码器的构造2. 编码器的构造编码器的构造 接触式接触式板板路路电电刷刷印印光光源源园园光光栅栅指指示示光光

13、栅栅光光电电元元件件低低坐坐护护罩罩旋旋转转轴轴A AA A向向构构造造图图 指示光栅有两组线纹指示光栅有两组线纹A和和B，每组线纹，每组线纹的节距和圆光栅的节距一样，但的节距和圆光栅的节距一样，但A、B两组两组线纹彼此错开线纹彼此错开1/4个节距，每组线纹与旋转个节距，每组线纹与旋转圆光栅配合产生两路脉冲圆光栅配合产生两路脉冲A和和B用于记数和用于记数和辩向。辩向。光线透过两个光栅的光线透过两个光栅的A,B两组线纹，便在光两组线纹，便在光电元件上构成明电元件上构成明暗暗明变化一个周期的光信明变化一个周期的光信号，并被转化为两组近号，并被转化为两组近乎于正弦波的电压信号，乎于正弦波的电压信号，

14、延续旋转便得到延续旋转便得到A和和B两路正弦电压信号。经两路正弦电压信号。经过放大、整形后得到所过放大、整形后得到所示的方波信号示的方波信号A和和Bo oU UA AB B9 90 0A A相相B B相相9 90 0o o5 5v v0 0v v5 5v v0 0v v脉冲编码的输出信号脉冲编码的输出信号5v0vZo oU UA AB B9 90 0A A相相B B相相9 90 0o o5 5v v0 0v v5 5v v0 0v v脉冲编码的输出信号脉冲编码的输出信号鉴相：如光栅盘正转时鉴相：如光栅盘正转时A相超前相超前90o，反转时，反转时B相超前相超前90o。基准：另外还产生一脉基准：另

15、外还产生一脉冲冲Z，Z为基准脉冲，为基准脉冲，或称零点脉冲，它是圆或称零点脉冲，它是圆光栅盘，可以作为坐标光栅盘，可以作为坐标原点的信号。原点的信号。5v0vZu特点特点 电源切除后位置信息不会丧失，只需通电就能显电源切除后位置信息不会丧失，只需通电就能显示出所在的绝对位置信号，因此在事故停机检修后，示出所在的绝对位置信号，因此在事故停机检修后，可以根据加工程序章上标明的停机时的绝对位置，或可以根据加工程序章上标明的停机时的绝对位置，或停机时记录下来的绝对位置，用绝对位移指令直接找停机时记录下来的绝对位置，用绝对位移指令直接找回原机位置进展继续加工。回原机位置进展继续加工。绝对式编码器实物照片

16、绝对式编码器实物照片0123 456789101112131415(2)0(2)1(2)2(2)3(a)0123456789101112131415(2)0(2)1(2)2(2)3输输出出二二进进制制编编码码盘盘葛葛莱莱编编码码盘盘(b)绝绝对对式式脉脉冲冲编编码码盘盘 码盘上有许多同心圆环，称为码道，整个圆码盘上有许多同心圆环，称为码道，整个圆盘又分为假设干个等分的扇形区段，每一一样的盘又分为假设干个等分的扇形区段，每一一样的扇形区段的码道组成一个数码，着色的码道为扇形区段的码道组成一个数码，着色的码道为“1，未着色的码道为，未着色的码道为“0，内环码道为数码的高，内环码道为数码的高位。位。

17、 在圆盘的同一半径方向的每个码道处，如图的在圆盘的同一半径方向的每个码道处，如图的圆点所示，安装一个光电元件，光源装在圆盘的另圆点所示，安装一个光电元件，光源装在圆盘的另一侧，码盘转动，每一扇形区段的光信号经过光电一侧，码盘转动，每一扇形区段的光信号经过光电元件转换成数码脉冲信号。元件转换成数码脉冲信号。1 二进制数码二进制数码图中二进制的数码图中二进制的数码1100的位置就是从的位置就是从0位算起的第位算起的第12个角个角度绝对坐标位置，度绝对坐标位置，换算成角度是换算成角度是360/16x12=270的位置编码盘分的位置编码盘分为为16个区段。个区段。0123 45678910111213

18、1415(2)0(2)1(2)2(2)3二进制编码盘二进制编码盘绝对式脉冲编码器绝对式脉冲编码器到达6位绝对式脉冲编码器绝对式脉冲编码器 葛莱码的特点是恣意相邻的两个二进制数之葛莱码的特点是恣意相邻的两个二进制数之间只需一位是不同的，最末一个数与第一个数也间只需一位是不同的，最末一个数与第一个数也是如此，这样，就构成了循环，使整个循环里的是如此，这样，就构成了循环，使整个循环里的相邻数之间都遵照这一规律。要生成葛莱码，可相邻数之间都遵照这一规律。要生成葛莱码，可参考以下图所示的方法。其中的行和列分别为三参考以下图所示的方法。其中的行和列分别为三位和二位葛莱码，结合可生成五位葛莱码。位和二位葛莱

19、码，结合可生成五位葛莱码。 2 葛莱码葛莱码2 葛莱码葛莱码 纯二进制码有一个缺陷：相邻两个二进制数能够有多位二纯二进制码有一个缺陷：相邻两个二进制数能够有多位二进制码不同，当数码切换时有多个数位要进展切换，增大了误进制码不同，当数码切换时有多个数位要进展切换，增大了误读的机率。读的机率。 葛莱码相邻两个二进制数码只需一个数位不同，因此两数切葛莱码相邻两个二进制数码只需一个数位不同，因此两数切换时只在一位进展，提高了读数的可靠性。换时只在一位进展，提高了读数的可靠性。0123 4567891011121314150123456789101112131415二进制编码盘二进制编码盘葛莱编码盘葛莱

20、编码盘多多位位二二进进码码不不同同 3 两种编码的可靠性的比较两种编码的可靠性的比较:3混合式光电编码器混合式光电编码器高位为绝对式编码，低位为脉冲式编码高位为绝对式编码，低位为脉冲式编码在处理初始零位的同时，降低本钱在处理初始零位的同时，降低本钱4.4 无刷直流电动机的功率驱动电路无刷直流电动机的功率驱动电路 作用：控制功率回路的通断，在定子绕组作用：控制功率回路的通断，在定子绕组中产生所需的电流。中产生所需的电流。典型的功率电路拓扑典型的功率电路拓扑全控型电力电子器件简介全控型电力电子器件简介电力电子器件的驱动技术电力电子器件的驱动技术4.4.1 典型的功率驱动电路拓扑典型的功率驱动电路拓

21、扑1. 不可逆电路拓扑不可逆电路拓扑 三相构造三相构造 四相构造四相构造 4.4.1 典型的功率驱动电路拓扑典型的功率驱动电路拓扑2. 可逆电路拓扑可逆电路拓扑 两相全桥构造两相全桥构造 三相半桥构造三相半桥构造 4.4.2 全控型电力电子器件简介全控型电力电子器件简介常用的典型全控型器件常用的典型全控型器件电力MOSFETIGBT单管及模块4.4.3 电力电子器件的驱动技术电力电子器件的驱动技术1 运用电力电子器件系统组成运用电力电子器件系统组成2 电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述3 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路电力电子系统：由控制电路、驱动电路、维护电路

22、电力电子系统：由控制电路、驱动电路、维护电路 和以电力电子器件为中心的主电路组成。和以电力电子器件为中心的主电路组成。电力电子器件在实践运用中的系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2维护电路在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运转1. 运用电力电子器件系统组成运用电力电子器件系统组成电气隔离控制电路1 电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述使电力电子器件任务在较理想的开关形状，缩短开、关使电力电子器件任务在较理想的开关形状，缩短开、关时间，减小开关损耗。时间，减小开关损耗。对安装的运转效率、可靠性和平安性都有重要的意义。对安装的运转效率、

23、可靠性和平安性都有重要的意义。维护措施也往往设在驱动电路中，或经过驱动电路实现。维护措施也往往设在驱动电路中，或经过驱动电路实现。驱动电路的根本义务：驱动电路的根本义务：按控制目的的要求施加开通或关断的信号。按控制目的的要求施加开通或关断的信号。对半控型器件只需提供开通控制信号。对半控型器件只需提供开通控制信号。对全控型器件那么既要提供开通控制信号，又要提供关对全控型器件那么既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。断控制信号。驱动电路驱动电路主电路与控制电路之间的接口主电路与控制电路之间的接口1 电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述n 驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气

24、隔离环节，驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，普通采用光隔离或磁隔离。普通采用光隔离或磁隔离。n 光隔离普通采用光耦合器光隔离普通采用光耦合器n 磁隔离的元件通常是脉冲变压器磁隔离的元件通常是脉冲变压器ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1光耦合器的类型及接法a) 普通型 b) 高速型 c) 高传输比型1 电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述v按照驱动信号的性质分，可分为电流驱动型和电压驱按照驱动信号的性质分，可分为电流驱动型和电压驱动型。动型。v驱动电路详细方式可为分立元件的，但目前的趋势是驱动电路详细方式可为分立元件的，但目前的趋势是采用公用

25、集成驱动电路。采用公用集成驱动电路。v双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路。混合集成电路。v为到达参数最正确配合，首选所用器件消费厂家专门为到达参数最正确配合，首选所用器件消费厂家专门开发的集成驱动电路。开发的集成驱动电路。 分类分类2 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路GTOGTO的开通控制与普通晶的开通控制与普通晶闸管类似。闸管类似。GTO关断控制需施加负门关断控制需施加负门极电流。极电流。GTO门极电压电流波形OttOuGiG1) 电流驱动型器件的驱动电路电流驱动型器件的驱动电路正的门极电流5V的负偏压 G

26、TO驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分，可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型。2 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路直接耦合式驱动电路可防止电路内部的相互关扰和寄直接耦合式驱动电路可防止电路内部的相互关扰和寄生振荡，可得到较陡的脉冲前沿。生振荡，可得到较陡的脉冲前沿。目前运用较广，但其功耗大，效率较低。目前运用较广，但其功耗大，效率较低。典型的直接耦合式GTO驱动电路2 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路n开通驱动电流应使开通驱动电流应使GTR处于准饱处于准饱和导通形状，使之不进入放大区和导通形状，使之不进入放大区和深饱和区。和深饱和区。n关断关断GTR时，施加一定的负基极时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断电流有利于减小关断时间和关断损耗。损耗。n关断后同样应在基射极之间施加关断后同样应在基射极之间施加一定幅值一定幅值6V左右的负偏压。左右的负偏压。tOib 理想的GTR基极驱动电流波形GTR2典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路GTR的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分。两部分。VD1AVVS0V+10V+15VV1VD2VD3VD4V3V