永磁电机4-永磁无刷直流电机

永磁电机及其控制原理第三讲永磁无刷直流电机第三讲永磁无刷直流电机PMBLDCM

permanentmagetbrushlessDCmotor第三讲永磁无刷直流电机PMBLDCM

permanentmagetbrushlessDCmotor1.概述永磁有刷直流电机与传统他励直流电机特性类似永磁无刷直流电机用电子换向器取代机械换向器永磁体励磁不可调节结构更加简单、维护方便、起动性能和调速性能优功率密度高，体积小，广泛用于传动系统机电一体化第三讲永磁无刷直流电机1.电机结构第三讲永磁无刷直流电机2.转子磁极结构第三讲永磁无刷直流电机2.转子磁极结构第三讲永磁无刷直流电机由定子、转子、位置传感器及换相电路组成定子采用叠片结构并在槽内铺设绕组的方式定子绕组多采用三相并以星形方式连接第三讲永磁无刷直流电机3.工作原理—系统框图功率主电路驱动电路PWM及逻辑合成电路转子位置检测电路主控电路串行LED显示电路BLDCM给定第三讲永磁无刷直流电机3.工作原理3.工作原理第三讲永磁无刷直流电机3.工作原理--6步通电顺序三相绕组通电遵循如下规则：一个绕组流入电流，

一个绕组流出电流，

一个绕组不导通；通电顺序如下：

1.A+B-2.C+B-3.C+A-4.B+A-5.B+C-6.A+C-第三讲永磁无刷直流电机3.工作原理第三讲永磁无刷直流电机3.工作原理--6步通电顺序第三讲永磁无刷直流电机1.A+B-2.C+B-3.C+A-4.B+A-5.B+C-6.A+C-

每步磁场旋转60度，每6步旋转磁场旋转一周；每步仅一个绕组被换相。3.工作原理--6步通电顺序第三讲永磁无刷直流电机随着磁场的旋转，吸引转子磁极随之旋转。磁场顺时针旋转，电机顺时针旋转：1→2→3→4→5→6磁场逆时针旋转，电机顺时针旋转：6→5→4→3→2→11.A+B-2.C+B-3.C+A-4.B+A-5.B+C-6.A+C-3.工作原理第三讲永磁无刷直流电机3.工作原理第三讲永磁无刷直流电机3.工作原理第三讲永磁无刷直流电机第三讲永磁无刷直流电机4.逆变器拓扑结构两种主电路形式：桥式非桥式最常用的主电路三相星形六状态三相星形三状态第三讲永磁无刷直流电机5.位置传感器--霍尔传感器第三讲永磁无刷直流电机5.位置传感器--霍尔传感器霍尔元件+信号处理电路=霍尔传感器利用霍尔效应，当施加的磁场达到“动作点”时，OC门输出低电压，称这种状态为“开”;当施加磁场达到“释放点”使OC门输出高电压，称其为“关”基于这个原理，可制成接近开关。第三讲永磁无刷直流电机5.位置传感器--霍尔传感器如果将一只霍尔传感器安装在靠近转子的位置，当N极逐渐靠近霍尔传感器即磁感应强度达到一定值时，其输出是导通状态；当N极逐渐离开霍尔传感器、磁感应强度逐渐减小时，其输出仍然保持导通状态；只有磁场转变为S极并达到一定值时，其输出才翻转为截止状态。在S-N交替变化磁场下，传感器输出波形占高、低电平各占50%。如果转子是一对极，则电机旋转一周霍尔传感器输出一个周期的电压波形，如果转子是两对极，则输出两个周期的电压波形。第三讲永磁无刷直流电机5.位置传感器--霍尔传感器直流无刷电机中一般安装3个霍尔传感器，间隔120度或60度按圆周分布。如果间隔120度，则3个霍尔传感器的输出波形相差120度电角度；输出信号中高、低电平各占180度电角度。如果规定输出信号高电平为“1”，低电平为“0”，则输出的三个信号可用3位二进制编码表示。第三讲永磁无刷直流电机5.位置传感器--霍尔传感器如果间隔60度，则输出波形相差60度电角度。间隔120度与60度的二进制编码是不同的。100000001011111110100000001011111110第三讲永磁无刷直流电机5.位置传感器光电传感器第三讲永磁无刷直流电机5.位置传感器电磁式位置传感器第三讲永磁无刷直流电机6.永磁无刷电机的稳态计算第三讲永磁无刷直流电机6.永磁无刷电机的稳态计算第三讲永磁无刷直流电机6.永磁无刷电机的稳态计算第三讲永磁无刷直流电机6.永磁无刷电机的稳态计算第三讲永磁无刷直流电机6.永磁无刷电机的稳态计算第三讲永磁无刷直流电机6.永磁无刷电机的稳态计算第三讲永磁无刷直流电机6.永磁无刷电机的稳态计算第三讲永磁无刷直流电机7.永磁无刷直流电动机主要波形第三讲永磁无刷直流电机8.电机的暂态数学模型由于稀土永磁无刷直流电动机的气隙磁场、反电势以及电流是非正弦的，因此不能采用直、交铀坐标变换的分析方法。通常，直接利用电动机本身的相变量来建立数学模型。第三讲永磁无刷直流电机8.电机的暂态数学模型假设不计磁路饱和，不计涡流和磁滞，三相对称，则其电压方程为：定子相电压定子相电流相感应电势相绕组自感两相绕组互感微分算子第三讲永磁无刷直流电机8.电机的暂态数学模型上述模型中，电流为三相对称方波、电势为梯形波.对于表面式电机，转子磁阻不随转子位置变化，因此自感和互感为常数第三讲永磁无刷直流电机8.电机的暂态数学模型当三相绕组Y接，且没有中线，则：第三讲永磁无刷直流电机8.电机的暂态数学模型第三讲永磁无刷直流电机8.电机的暂态数学模型根据电压方程可以建立等效电路模型：第三讲永磁无刷直流电机8.电机的暂态数学模型根据电压方程还常写成状态方程的形式：第三讲永磁无刷直流电机9.永磁无刷电机的电枢反应A、B相通电时产生电枢磁场Fa转子磁场Fm在60度范围内不换相Fa分解为d、q轴磁场当转子磁场在B方向时去磁最大当转子磁场在X方向时助磁最大当转子磁场在BX中间位置时无去助磁因此在一个60度的磁状态内，电枢磁场从最大去磁逐渐减小到30度处的不去磁不助磁，然后逐渐增大到最大助磁状态后，换相、进入新的一个磁状态第三讲永磁无刷直流电机9.永磁无刷电机的电枢反应助磁或去磁的最大值：q轴电枢反应使得主磁场波形畸变：对于径向充磁的转子，由于q轴磁阻大，q轴磁场引起的畸变较小对于切向充磁的转子，由于q轴磁阻小，q轴磁场引起的畸变较大，使得永磁体前极尖助磁，后极尖去磁第三讲永磁无刷直流电机10.永磁无刷电机的运行特性由于无刷永磁直流电机的稳态计算与直流机类似，所以其运行特性也与直流机类似10.1机械特性：第三讲永磁无刷直流电机当转子采用径向式结构，电机电感较小，电阻作用较大，电机具有硬的机械特性。1当转子采用切向式结构，电机电感较大，机械特性较软。3一般介于两者之间210.1机械特性：有刷直流电动机参与换向的绕组元件相对较少，只考虑电阻的影响，忽略电感的作用。无刷直流电动机．参与换向的绕组为一相绕组，而不是单个线圈，电感较大。当稀土木磁无刷直流电动机采用不同的转子结构时，电感和电阻对机械特性的影响并不相同：第三讲永磁无刷直流电机10.1机械特性：不同供电电压下，径向式结构的水磁无刷电机的机械持性曲线簇下弯是由于电流大、管压降增大第三讲永磁无刷直流电机10.2调节特性10.2工作特性

从机械待性和调节持性可以看出，稀土永磁无刷直流电动机具有和一般有刷直流电动机一样好的控制性能，可以通过改变电源电压实现无级调速。第三讲永磁无刷直流电机11.永磁无刷直流电机转矩脉动

转矩脉动是无刷电机在低速运行时的一项十分重要的性能指标，通常高性能伺服系统的低速转矩脉动应小于3%。造成转矩脉动的原因有：电磁因素引起的转矩脉动电流换向引起的转矩脉动齿槽引起的转矩脉动电枢反应影响机械工艺引起的转矩脉动第三讲永磁无刷直流电机11.1电磁因素引起的转矩脉动

电磁转矩脉动是由于定子电流和转子磁场相互作用而产生的转矩脉动。它与气隙磁密的分布和电流的波形以及绕组的形式有直接的关系，为了便于分析，假定：

(1)忽略齿槽、换向过程和电枢反应等影响；

(2)电枢绕组在定子内表面均匀连续分布；

(3)电机为三相导通星形三相六状态工作，气隙磁场方波。由于电机在每一个磁状态(60度电角度)内的电磁作用是相同的，故以下仅分析一个磁状态的转矩变化情况。第三讲永磁无刷直流电机11.1电磁因素引起的转矩脉动方波宽：120-180度方波磁场轴线方波磁场轴线变化范围一个磁状态60度第三讲永磁无刷直流电机11.1电磁因素引起的转矩脉动当a=90度时气隙磁场轴线与通电绕组A、C空间轴线重合，定转子磁场正交，产生最大电磁转矩。当a=60或120度时气隙磁场，A、C相合成磁场，对转子磁场产生最大直轴去磁或增磁电枢反应、此时电磁转矩为最小值。第三讲永磁无刷直流电机11.1电磁因素引起的转矩脉动第三讲永磁无刷直流电机11.1电磁因素引起的转矩脉动第三讲永磁无刷直流电机11.1电磁因素引起的转矩脉动第三讲永磁无刷直流电机11.1电磁因素引起的转矩脉动第三讲永磁无刷直流电机11.1电磁因素引起的转矩脉动第三讲永磁无刷直流电机11.1电磁因素引起的转矩脉动第三讲永磁无刷直流电机11.1电磁因素引起的转矩脉动第三讲永磁无刷直流电机11.1电磁因素引起的转矩脉动第三讲永磁无刷直流电机11.1电磁因素引起的转矩脉动第三讲永磁无刷直流电机11.1电磁因素引起的转矩脉动反应了电磁转矩波动与方波磁密宽度的关系，随宽度增加，转矩脉动单调下降。当宽度=120时，转短脉动最大，达到30％；当宽度=180时，电磁转矩脉动为零第三讲永磁无刷直流电机11.1电磁因素引起的转矩脉动第三讲永磁无刷直流电机11.1电磁因素引起的转矩脉动第三讲永磁无刷直流电机11.2电流换向引起的转矩脉动

无刷直流电动机每经过一个磁状态，定子绕组中的电流就要进行一次换向。每一次换向，电机中的电流从一相转移到另一相，并对电磁转矩产生一定影响。这种相电流换向也是引起转矩脉动的主要原因之一。下面分析两相导通星形三相六状态方波无刷直流电动机的换向转矩脉动机理。从AC到BC换相第三讲永磁无刷直流电机11.2电流换向引起的转矩脉动

用动态方程来分析换相过程对转矩的影响：

忽略电阻影响，设定：第三讲永磁无刷直流电机11.2电流换向引起的转矩脉动用动态方程来分析换相过程对转矩的影响：对于回路1：回路1第三讲永磁无刷直流电机11.2电流换向引起的转矩脉动

用动态方程来分析换相过程对转矩的影响：回路2第三讲永磁无刷直流电机11.2电流换向引起的转矩脉动

用动态方程来分析换相过程对转矩的影响：第三讲永磁无刷直流电机11.2电流换向引起的转矩脉动第三讲永磁无刷直流电机11.2电流换向引起的转矩脉动A（0，I）B（0，0）第三讲永磁无刷直流电机11.2电流换向引起的转矩脉动第三讲永磁无刷直流电机11.2电流换向引起的转矩脉动第三讲永磁无刷直流电机11.2电流换向引起的转矩脉动第三讲永磁无刷直流电机11.2电流换向引起的转矩脉动C相反向通电，ec为负值（3-69）第三讲永磁无刷直流电机11.2电流换向引起的转矩脉动第三讲永磁无刷直流电机11.2电流换向引起的转矩脉动第三讲永磁无刷直流电机11.2电流换向引起的转矩脉动第三讲永磁无刷直流电机11.2电流换向引起的转矩脉动第三讲永磁无刷直流电机11.3齿槽效应引起的转矩脉动第三讲永磁无刷直流电机11.4电枢反应引起的转矩脉动第三讲永磁无刷直流电机11.5机械加工和工艺引起的转矩脉动第三讲永磁无刷直流电机11.6无刷直流电机转矩脉动规律示例：一般波形第三讲永磁无刷直流电机11.6无刷直流电机转矩脉动规律示例：槽口极弧系数第三讲永磁无刷直流电机11.6无刷直流电机转矩脉动规律示例：槽口极弧系数第三讲永磁无刷直流电机11.6无刷直流电机转矩脉动规律示例：换相角的影响第三讲永磁无刷直流电机11.6无刷直流电机转矩脉动规律示例：电流初值影响无刷直流电机的电流和感应电动势具有以下特点：（1）感应电动势为三相对称的梯形波，其波顶宽为120度（2）电流为三相对称的方波；（3）梯形波反电势与方波电流在相位上严格同步。86HALL状态与PWM、三相反电势和三相

相电流的对应关系87无刷直流电机的换流模式（1）pwm-on型调制方式（2）on-pwm型调制方式88无刷直流电机的换流模式（3）H_on-L_pwm型调制方式（4）H_pwm-L_on型调制方式89无刷直流电机的换流模式（5）L_pwm-H_pwm型调制方式（6）on-on型调制方式90无刷直流电机的仿真结果（1）pwm-on型调制方式（2）on-pwm型调制方式91无刷直流电机的换流模式（3）H_on-L_pwm型调制方式（4）H_pwm-L_on型调制方式92无刷直流电机的换流模式（5）H_pwm-L_pwm型调制方式调制方式转矩脉动结果上桥下桥pwm-on20％20％on-pwm30％30％H_pwm-L_on18.5％37.5％H_on-L_pwm33.8％15.4％H_pwm-L_pwm42.4%42.4%93无刷直流电机的换流模式（1）采用pwm-on方式时，下桥换相和上桥换相的换相转矩脉动相等，且最小；非换向相电流脉动也是最小的；（2）采用on-pwm方式时，下桥和上桥换相转矩脉动相等且比pwm-on方式大，非换向相电流脉动也比pwm-on方式时大。（3）采用H_pwm-L_on方式时，下桥换相转矩脉动和非换向相电流脉动大且与on-pwm方式时的转矩脉动和电流脉动相等，上桥换相转矩脉动和非换向相电流脉动小且与pwm-on方式时的转矩脉动和电流脉动相等。（4）采用H_on-L_pwm方式时，下桥换相转矩脉动和非换向相电流脉动小且与pwm-on方式时的转矩脉动和电流脉动相等，上桥换相转矩脉动和非换向相电流脉动大且与on-pwm方式时的转矩脉动和电流脉动相等。（5）采用H_pwm-L_pwm方式时，换相转矩脉动最大且非换向相电流脉动也最大。94无刷直流电机的相电流分析95无刷直流电机的相电流分析96无刷直流电机的相电流分析97无刷直流电机的相电流分析98无刷直流电机的相电流分析99无刷直流电机的控制系统电流闭环控制结构转矩闭环控制结构100无刷直流电机的控制系统转矩闭环控制结构依据转速控制弱磁角度转矩闭环控制结构依据转速和转矩控制弱磁角度101无刷直流电机的控制系统102无刷直流电机的控制系统103无刷直流电机的控制系统104无刷直流电机的控制系统HALL状态101100110010011001导通功率管105无刷直流电机的控制系统106无刷直流电机的控制系统107无刷直流电机的控制系统

第三讲永磁无刷直流电机12永磁无刷电机的控制器—开关主电路

对于单相交流电源供电、电机采用三相电抠绕组时，其典型开关主电路通常由整流电路、滤波电路、缓冲电路和逆变电路构成：第三讲永磁无刷直流电机12永磁无刷电机的控制器—开关主电路第三讲永磁无刷直流电机12永磁无刷电机的控制器—驱动器第三讲永磁无刷直流电机12永磁无刷电机的控制器—驱动器第三讲永磁无刷直流电机12永磁无刷电机的控制器—驱动器IR公司推出的IR21xx系列集成芯片是MOS、IGBT功率器件专用栅极驱动芯片，通过自举电路工作原理，使其既能驱动桥式电路中低压侧的功率器件，又能驱动高压侧的功率元件，因而在电机控制、伺服驱动、UPS电源等方面得到广泛应用。这些器件集成了特有的负电压免疫电路，提高了系统耐用性和可靠性，有些器件不仅有过流、过温检测输入等功能，还具有欠压锁定保护、集成死区时间保护、击穿保护、关断输入、错误诊断输出等功能。第三讲永磁无刷直流电机12永磁无刷电机的控制器—驱动器第三讲永磁无刷直流电机12永磁无刷电机的控制器—驱动器第三讲永磁无刷直流电机12永磁无刷电机的控制器—驱动器IR2130是600V以下高压集成驱动器件，它具有六路输入信号和六路输出信号，且只需一个供电电源即可驱动三相桥式逆变电路的6个功率开关器件，一片IR2130可替代3片IR2110,使整个驱动电路更加简单可靠。

IR2130芯片具有以下一些特点：（1）可直接驱动高达600V电压的高压系统，输出端具有dV/dt抑制功能;（2）最大正向峰值驱动电流为250mA，反向峰值驱动电流为500mA;（3）具有电流放大和过电流保护功能，同时关断六路输出;（4）自动产生成上、下侧驱动所必需的死区时间（2.5μs）;（5）具有欠压锁定功能并能及时关断六路输出;（6）2.5V逻辑信号输入兼容。第三讲永磁无刷直流电机12永磁无刷电机的控制器—驱动器C1自举电容，为上桥臂功率管驱动存储能量，开关频率大于5kHz时,容值应不小于0.1U,选低漏电流的瓷片电容;D1为自举三极管，其作用是防止上桥臂导通时的直流电压母线电压加到IR2130的电源上而使器件损坏，因此D1应有足够的反向耐压，为了满足主电路功率管开关频率的要求，D1还应选超快速恢复型三极管。R1和R2是IGBT的栅极限流电阻,一般可采用十几到几十欧。对IGBT的动态特性将产生极大的影响，不同电流容量的IGBT器件的栅极限流电阻有不同的取值,功率越大的管子栅极电阻应越小。第三讲永磁无刷直流电机12永磁无刷电机的控制器—控制电路

控制电路是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，它主要完成以下功能：

(1)对转子位置传感器输出的信号、PWM调制信号、正反转转、停车信号进行逻辑综合．以给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)对电动机进行速度闭环调节和电流闭环调节有较好的动态相静态性能。

(4)实现短路、过流相欠压等故障保护功能等。第三讲永磁无刷直流电机12永磁无刷电机的控制器—控制电路

控制电路的形式多种多样，归纳起来主要有以下几种型式：

1.分立元件全模拟电路

2.专用集成控制电路

3.数模混合控制电路；

4.全数字控制电路。

分立元件全模拟控制电路在以往的无刷直流电动机中大量应用，由于模拟电路中不可避免地存在参数飘移和不一致问题，以及线路复杂、调试不便等因素，因而使电机的可靠性相性能受到影响。随着无刷直流电动机性能要求越来越高，其控制器由以硬件模拟电子器件，转向数字电路、微处理器、数字信号处理器(DSP)，实现半数字化的数模混合控制电路和全数字化的控制电路。控制规律由硬件实现转向以软件实现。对于高性能的稀土水磁无刷直流伺服系统,由于微机和DSP的应用，在控制上由通常所采用的PI(比例积分)或PID(比例积分微分)控制规律，开始转向应用现代控制理论，同时引进模糊控制、神经网络等智能控制理论，发展智能化的稀土水磁无刷直流电动机，从而实现