电拖特种同步电动机自控式变频调速系统

1、第第9章章 特种同步电动机特种同步电动机自控式变频自控式变频调速系统调速系统 (带有带有位置检测器位置检测器的变频调速系统的变频调速系统) 本章介绍四种调速电动机：本章介绍四种调速电动机：永磁无刷直流电动机、永磁无刷直流电动机、开关磁阻电动机、开关磁阻电动机、直流无换向器电动机、直流无换向器电动机、交流无换向器电动机。交流无换向器电动机。 共同的特点：共同的特点：新型调速电机；新型调速电机；这是一种典型的机电一体化的电机调速系统；这是一种典型的机电一体化的电机调速系统；它们都带有绝对编码的位置检测器（含无位置检它们都带有绝对编码的位置检测器（含无位置检测器的位置检测技术）；测器的位置检测技术）

2、；它们的功率变换器其实质都是自控式的变频电路；它们的功率变换器其实质都是自控式的变频电路；就电机本体而言，它们都属于同步电动机或广义就电机本体而言，它们都属于同步电动机或广义同步电动机的范畴。同步电动机的范畴。 但要注意它们之间在工作但要注意它们之间在工作原理上的差别原理上的差别：电机磁场的成因或形状不同，使电磁转矩的产生原因不同。电机磁场的成因或形状不同，使电磁转矩的产生原因不同。 9.1 永磁无刷直流电动机永磁无刷直流电动机 直流电动机调速系统，调速性能好。直流电动机调速系统，调速性能好。但有重大缺点，那就是它带有机械换向装置但有重大缺点，那就是它带有机械换向装置换向器及电刷。换向器及电刷

3、。定、转子倒置，把机械换向装置改成电子换向器，这就是无刷直流电动机。定、转子倒置，把机械换向装置改成电子换向器，这就是无刷直流电动机。 9.1.1永磁无刷直流电动机的构成永磁无刷直流电动机的构成 功率变换器控制系统BQ+-永磁无刷直流电动机位置检测器电机本体三大部分组成：三大部分组成： 电机本体电机本体位置检测器位置检测器功率变换器功率变换器（直（直-交无源逆变器）交无源逆变器） 电子换向器电子换向器00-a）b）BB定子定子m相，集中（或分布）绕组，相，集中（或分布）绕组，转子永磁，梯形波磁密，图转子永磁，梯形波磁密，图a与同步电机的区别：同步电机 定子，3相，分布绕组，分布绕组， 转子，正

4、弦波磁密，图正弦波磁密，图b9.1.2 永磁无刷直流电动机的工作原理永磁无刷直流电动机的工作原理 1矩角特性矩角特性 a)ABCNSnTaAZBCXYaieNSnTbcAiAeb)tttdU20000AUAEAIATAE AT453212tta)b)c)00( )I CTfTB矩角特性曲线将与磁密曲线相似，也是一个梯形波 。2电机匀速旋转，电机匀速旋转，A相相120o导通时导通时导通时的波形：导通时的波形： 方波电压方波电压 方波电势方波电势 方波电流方波电流 方波转矩方波转矩AdAAAAdiUELi RdtAAAdRiEU电路方程电路方程是无刷直流电机的主要特征是无刷直流电机的主要特征 31

5、20o单极性电流工作的无刷直流电动机单极性电流工作的无刷直流电动机 +dUAi-ABC00Tttttc)d)iAiBiC0TATBTCa)区域号导通管b) 1 1 2 2 3 3 1 100TT主电路主电路 波形图波形图 三个主开关元件依次轮三个主开关元件依次轮流导通，各占流导通，各占 120o ，导通的区域由位置信号确定：导通的区域由位置信号确定：区域区域1、2A相相区域区域3、4B相相区域区域5、6C相相4120o方波交流电流工作的无刷直流电动机方波交流电流工作的无刷直流电动机 VT1VT3VT5BiAiABCdUVT4VT6VT2VD5VD2VD4VD6VD1VD3d)TTAc)iciB

6、b)iAa)tttt区域号导通管上下1 1 3 3 5 5 1 1 3 t6 2 2 4 4 6 6 2 2T0TATBTCa)主电路主电路 波形图波形图 输出的电流是输出的电流是120o的方波交流电流的方波交流电流 每个谐波都能得到有用的转矩。每个谐波都能得到有用的转矩。所有谐波都是参与了正常的工作。所有谐波都是参与了正常的工作。总输出转矩是其基波分量与所有谐总输出转矩是其基波分量与所有谐波分量共同努力的结果。波分量共同努力的结果。 应采用正确的测量方法。应采用正确的测量方法。 9.1.3 位置检测器位置检测器 a)H1H3H2码盘光电开关b)OUT101 100 110 010 011 0

7、01 101 100 110c)H1H2H3码值区域号 磁极轴线与轴线对齐位置()ab定位a)结构示意图 b)光电开关电路图 c)输出信号及其编码 21H1H2H3码 盘2齿2槽均布H2码 盘p齿p槽均布H3H2H1H3b)360 / pa)360 /kp2p极电机 可同时检测到电机的转速与转向可同时检测到电机的转速与转向 初始定位问题初始定位问题 1光电开关位置检测器光电开关位置检测器 2绝对式光电编码器绝对式光电编码器 H1H2H3111 110 101 100 011 010 001 000 111TH1b)a)H2H3码值H1H2H3100 101 111 110 010 011 00

8、1 000 100 101Tb)a)H1H2H3码值二进制绝对式二进制绝对式光电编码器光电编码器 循环码绝对式循环码绝对式光电编码器光电编码器 n个光电开关最多个光电开关最多只能把一个电周期只能把一个电周期分成分成2n个区域个区域 3增量式光电编码器增量式光电编码器 4其它形式的位置检测器其它形式的位置检测器 正余弦旋转变压器正余弦旋转变压器 ABZ 结构结构 原理原理 用途：测绝对位置，用途：测绝对位置， 测转速、转向测转速、转向基准正弦波发生器解调电路滤 波滤 波功放旋转变压器R1R2S1S2cosksink122 cos sin2 sinsinektekt12sincos (1 cos2

9、)sinsin (1 cos2)etktetkt9.1.4永磁无刷直流电动机的控制系统永磁无刷直流电动机的控制系统 1控制原理控制原理 “自控式自控式”变频工作变频工作 ：由位置码控制逆变器元件的通断。：由位置码控制逆变器元件的通断。 控制电压来控制电机绕组电流的大小，从而控制转矩。控制电压来控制电机绕组电流的大小，从而控制转矩。 直流斩波的直流斩波的PWM方式方式 来来 控制电压。控制电压。2系统原理图系统原理图 单片机系统BQASR-i*PWM逻辑“与”放 大驱 动dtdPMACR三角波发生器正、反转控制- iVIVR逻辑控制 位置检测器*00000导通管0-UdUdVT1VT2VD4VT

10、2VT1VT2VT1VD5VD4VT2VD4VD5tttttt12uPWMu1gu2guACuAiCiVT1VT200000导通管0-UdUdVT1VT2VD4VT2VT1VT2VT1VD5VD4VT2VD4VD5tttttt12uPWMu1gu2guACuAiCiVT1VT2采用的控制方法：采用的控制方法： 导通时正电压导通时正电压 导通区间零电压续流导通区间零电压续流 关断后负电压续流关断后负电压续流 零电压续流由上、下零电压续流由上、下元件轮流导通元件轮流导通。 3制动及四象限运行制动及四象限运行 ASR-i*PWM逻辑“与”放 大驱 动dtdPMACR正、负转矩控制 i逻辑控制-+-三

11、角波发生器极性鉴别能耗制动单元绝对值变换*+BQ计算机内部控制VRVI要实现四象限运行，应：要实现四象限运行，应： 把不控整流桥改成可回馈的把不控整流桥改成可回馈的PWM双向整流桥双向整流桥 或在直流侧加接能耗制动单元或在直流侧加接能耗制动单元 也可在需要制动时把电动机的三相绕组短接也可在需要制动时把电动机的三相绕组短接 加接能耗制动单元后的系统原理图加接能耗制动单元后的系统原理图控制方式控制方式：在矩角特性的正转矩区：在矩角特性的正转矩区加上负电流，负转矩区加上正电流，加上负电流，负转矩区加上正电流，即改变位置码与导通相的对应关系。即改变位置码与导通相的对应关系。 4专用集成芯片构成的控制器

12、专用集成芯片构成的控制器 换相顺序选择逻辑输入译码电路12019151617910输出编码电路输出驱动电路+V1213+-+锯齿波振荡器+V14RR换相顺序选择位置码输 入正/反转制动/正常使能/禁止过流封锁电压控制外接+V33k0.0012346784865COMMON输出&33kHz1118+V(728V)GNDVDDVSS以以LS7261为例为例 5永磁无刷直流电动机优缺点永磁无刷直流电动机优缺点 优点优点：效率高、出力大，：效率高、出力大，控制性能、调速性能好。控制性能、调速性能好。 缺点缺点：很难运行于高速区域，：很难运行于高速区域，永磁材料较贵，电机的造价高，永磁材料较贵，电机的造价高，永磁材料在振动、高温下会退磁。永磁材料在振动、高温下会