教学课件-特种电机及其控制(第二版)

特种电机及其控制121世纪高等院校机械设计制造及其自动化专业系列规划教材

特种电机及其他控制（第二版）

大连理工大学电气工程系2第1章无刷直流电动机

及其控制系统

PermanentMagnetBrushlessDCMotors(PMBLDCMs)特种电机及其控制3三相三状态BLDCM原理传感器：H1=1H2=0H3=1导通相：B特种电机及其控制4传感器：H1=1H2=0H3=0导通相：B特种电机及其控制5传感器：H1=1H2=1H3=0导通相：C特种电机及其控制6传感器：H1=0H2=1H3=0导通相：C特种电机及其控制7传感器：H1=0H2=1H3=1导通相：A特种电机及其控制8传感器：H1=0H2=0H3=1导通相：A特种电机及其控制9传感器：H1=1H2=0H3=1导通相：B特种电机及其控制101.1无刷直流电动机系统1.1.1基本组成无刷直流电机构成框图特种电机及其控制11无刷直流电动机结构

(a)结构示意图

(b)定转子实际结构

1.电动机本体

特种电机及其控制12表面式磁极

嵌入式磁极

环形磁极

内转子结构形式

特种电机及其控制13实际电机

外转子无刷直流电动机

特种电机及其控制142.逆变器b)四相半桥主电路

a)三相半桥主电路1)非桥式（半桥式）——半控型特种电机及其控制152.逆变器2)桥式——全控型c)星形联结三相桥式主电路特种电机及其控制162.逆变器d)三角形联结三相桥式主电路

2)桥式——全控型特种电机及其控制172.逆变器2)桥式——全控型e)正交两相全控型主电路特种电机及其控制182.逆变器2)桥式——全控型f)

封闭形联结四相桥式主电路特种电机及其控制19主电路选择原则绕组利用率：三相绕组优于四相、五相绕组转矩脉动：相数越多，转矩脉动越小电路成本：相数越多，电路成本越高星形联接三相桥式主电路应用最多特种电机及其控制203.位置检测器位置检测器有位置传感器检测无位置传感器检测磁敏式光电式电磁式接近开关式正余弦变压器编码器反电动势检测续流二极管工作状态检测定子三次谐波检测瞬时电压方程法特种电机及其控制214.控制器控制器模拟控制系统

数字控制系统

分立元件加少量集成电路构成的模拟控制系统

基于专用集成电路的控制系统

数模混合控制系统

全数字控制系统

控制器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

特种电机及其控制22永磁无刷直流

电机系统图控制电路对转子位置传感器检测的信号进行逻辑变换后产生脉宽调制PWM信号，经过驱动电路放大送至逆变器各功率开关管，从而控制电动机各相绕组按一定顺序工作，在电机气隙中产生跳跃式旋转磁场。1.1.2基本工作原理

特种电机及其控制23工作原理磁极图示位置→位置信号→逻辑变换→V1、V6开通→A、B相导通→I:E+-A-B-E-→电机顺时针旋转磁极转过60o图示位置→位置信号→逻辑变换→V1、V2开通→A、C相导通→I:E+-A-C-E-→电机顺时针旋转转子每转过60o，逆变器开关管换流一次、定子磁状态改变一次，电机有6个磁状态，三相各导通120o——两相导通三相六状态转子磁场顺时针连续旋转、定子磁场隔60O跳跃旋转——自同步电机特种电机及其控制24两相导通星形三相六状态时绕组和开关管导通顺序表特种电机及其控制251.1.3无刷直流电动机与永磁同步电动机

由变频器供电的永磁同步电动机加上转子位置闭环控制系统后构成自同步永磁电动机，既具有永磁直流电动机的优异调速性能，又实现了无刷化。

无刷直流电动机与永磁同步电动机两种驱动模式的波形比较如下图所示。

无刷直流电动机出力大、控制简单、成本低，其调速性能已能达到低速转矩脉动小于3％、调速比大于1:10000的水平，因而越来越多地受到人们的青睐。

特种电机及其控制26(a)无刷直流电动机

(b)永磁同步电动机

特种电机及其控制27方波气隙磁场可以分解为基波和一系列谐波，方波电动机的电磁转矩不仅由基波产生，同时也由谐波产生。在同样体积的条件下，无刷直流电动机比正弦波永磁同步电动机的出力大约增加15％。电流幅值Im

电流峰值IpPMSMBLDCM有效值：发热量相等：

特种电机及其控制281.2电机本体问题1.2.1永磁材料磁能积（kJ/m3）天然磁铁矿石碳钢、钨钢钴钢铝镍钴铁氧体钐钴1：5钐钴2：17钕铁硼2.77.28540199258431特种电机及其控制29永磁材料的主要性能参数退磁曲线（Br，Hc）磁能积曲线与最大磁能积回复线与回复磁导率内禀退磁曲线（Br，Hcj）热稳定性退磁曲线的拐点特种电机及其控制301永磁材料的退磁曲线磁滞回线与退磁曲线铁磁材料根据磁滞回线分类：软磁材料－－窄硬磁材料－－宽Br——剩磁感应强度Hc——矫顽力特种电机及其控制311永磁材料的退磁曲线表观剩磁BD外磁路开路时，永磁体表现出的磁感应强度不是Br，而是BD*自退磁磁场特种电机及其控制32稀土永磁体的充磁BBrH-Hc0退磁曲线

lAmI磁钢稀土永磁材料的退磁曲线特种电机及其控制33在均匀磁性材料中M——永磁材料的磁化强度Mr——剩余磁化强度

——磁化系数且稀土永磁材料的退磁曲线磁化分量与真空中一样特种电机及其控制34稀土永磁材料的退磁曲线

稀土永磁材料，相对磁导率

r为常数。BBrH-Hc0退磁曲线特种电机及其控制35稀土永磁材料的退磁曲线将H坐标反向，即H取绝对值BBrH-Hc0退磁曲线BBrHHc0退磁曲线特种电机及其控制362退磁曲线与磁能积曲线磁能积——BH表征永磁材料磁性能参数：最大磁能积(BH)max特种电机及其控制37永磁材料的工作点在退磁曲线上？不一定在回复线上3永磁材料的回复线局部磁滞回线很窄用直线代替——回复线回复磁导率

rec——永磁材料的工作磁导率特种电机及其控制38直线型退磁曲线回复线与退磁曲线重合永磁材料的工作点在退磁曲线上永磁材料的回复线有拐点的直线型退磁曲线，工作点如在拐点以下P点，回复线是过P点与退磁曲线平行的直线直线型退磁曲线特种电机及其控制394永磁材料的内禀退磁曲线内禀磁感应强度，Bi退磁曲线：内禀退磁曲线：Hcj内禀矫顽力——反映永磁体抗去磁能力Hcj大,内禀曲线矩形度高，稳定性高特种电机及其控制405永磁材料的热稳定性1）可逆损失：温度系数2）不可逆损失：温度回复后，磁性能不能回复到原值——损失率特种电机及其控制415永磁材料的热稳定性1）可逆损失：温度系数2）不可逆损失IL：温度回复后，磁性能不能回复到原值——损失率3）居里温度Tc——磁性能消失的温度临界值4）最高温度——使永磁体长时间(1000h)保持在某一温度，当回复到室温后，IL<5%的温度。特种电机及其控制421.2.2转子结构特种电机及其控制43Halbach阵列径向切向特种电机及其控制44Halbach阵列的自屏蔽效应——产生单边磁场分布，不需要铁磁材料为其提供导磁回路；使一边磁场得到加强，意味着可以获得更大的气隙磁通。外转子内转子Halbach阵列的应用特种电机及其控制451.2.3定子绕组整数槽绕组每极每相槽数q＝1，一阶齿谐波次数为vz=5、7，由于齿谐波次数，齿谐波磁场较强，会引起很大的齿槽定位转矩。齿谐波的绕组因数kwz

与基波的绕组因数kw1

相等，须采用定子铁心斜槽或转子磁极斜极等措施以削弱。特种电机及其控制46分数槽绕组每极每相槽数q是描述绕组特征的重要参数；当q为整数时，该绕组为整数槽绕组；当q为分数时，为分数槽绕组。特种电机及其控制472p＝10、Z＝36、q=6/5的分数槽绕组与一个2p＝2、Z＝36、q=6的整数槽绕组等效。b为整数，c/d是不可约分数分数槽绕组与一个具有同样槽数、p′=p/d、q＝N的整数槽绕组是等效的。分数槽绕组最大并联支路数对称条件特种电机及其控制481.3无刷直流电动机的主电路及其工作方式

无刷直流电动机的主电路主要有星形联结三相半桥式、星形联结三相桥式和角形联结三相桥式三种形式。1.3.1星形连接三相半桥主电路

特种电机及其控制49在三相半桥主电路中，位置信号有1/3周期为高电平、2/3周期为低电平，各传感器之间的相位差也是1/3周期，如图所示。

旋转磁场在360

电角度范围内有三种磁状态，每种磁状态持续120

电角度。我们把这种工作方式叫做单相导通星形三相三状态。特种电机及其控制501.3.2星形连接三相桥式主电路

位置检测器的三个输出信号通过逻辑电路控制这些开关管的导通和截止，其控制方式有两种：二二导通方式和三三导通方式。特种电机及其控制511.二二导通方式

电机的瞬时电磁转矩可由电枢绕组的电磁功率求得：

式中 Ea、Eb、Ec———A、B、C三相绕组的反电动势；

ia、ib、ic———A、B、C三相绕组的电流；

——转子的机械角速度。可见，电磁转矩取决于反电动势的大小。在一定的转速下，如果电流一定，反电动势越大，转矩越大。特种电机及其控制52三相绕组的反电动势波形及其二二导通方式下的导通规律

特种电机及其控制53星形联结二二导通方式下的导通规律特种电机及其控制542.三三导通方式

三相绕组的反电动势波形及其三三导通方式下的导通规律

特种电机及其控制55星形联结三三导通方式下的导通规律特种电机及其控制561.3.3角形连接三相桥式主电路

如图所示的角形联结三相桥式主电路的开关管也采用功率MOSFET。与星形联结一样，角形联结的控制方式也有二二导通和三三导通两种。

(X)(Y)(Z)特种电机及其控制571.二二导通方式

电枢绕组的反电动势波形及其角形联结二二导通方式的导通规律

特种电机及其控制58角形联结二二导通方式下的导通规律特种电机及其控制592.三三导通方式

电枢绕组的反电动势波形及其角形联结三三导通方式的导通规律

特种电机及其控制60角形联结三三导通方式下的导通规律特种电机及其控制611.4无刷直流电动机的电枢反应电动机负载时电枢绕组产生的磁场对主磁场的影响称为电枢反应。

电枢绕组的合成磁动势变化如下图所示如图所示，电枢磁动势的直轴分量Fad对转子主磁极产生最大去磁作用

特种电机及其控制62如图所示，电枢磁动势的直轴分量Fad对转子主磁极产生最大增磁作用。

可见，在一个磁状态范围内，电枢磁动势在刚开始为最大去磁，然后去磁磁动势逐渐减小；在1/2磁状态时既不去磁也不增磁；在后半个磁状态内增磁逐渐增大，最后达到最大值。增磁和去磁磁动势的大小等于电枢合成磁动势Fa在转子磁极轴线上的投影，其最大值为特种电机及其控制63式中 F

——每相绕组的磁动势；

W

——每相绕组的串联匝数；

Kw——绕组系数。

由于在无刷直流电动机中磁状态角比较大，直轴电枢反应磁动势可以达到相当大的数值，为了避免使永磁体发生永久失磁，在设计时必须予以注意。

特种电机及其控制641-5无刷直流电动机基本公式与数学模型无刷直流电机的磁场、电势、电流波形方波电动机——梯形波反电势与方波电流特种电机及其控制651.5.1无刷直流电动机的数学模型

假设

(1)电动机的气隙磁感应强度在空间呈梯形(近似为方波)分布；(2)定子齿槽的影响忽略不计；(3)电枢反应对气隙磁通的影响忽略不计；(4)忽略电机中的磁滞和涡流损耗；

(5)三相绕组完全对称。

直接利用电动机本身的相变量来建立数学模型

特种电机及其控制66三相绕组的电压平衡方程为定子相绕组电压定子相绕组电流定子相绕组自感、互感定子相绕组电动势微分算子特种电机及其控制67当三相绕组为Y连接，且没有中线，则：ia+ib+ic=0Mia+Mib=-MicMib+Mic=-MiaMia+Mic=-Mib所以得电压方程：特种电机及其控制68无刷直流电动机的等效电路如图所示

特种电机及其控制691.5.2无刷直流电动机的反电动势

无刷直流电动机气隙磁密及反电动势波形如下图所示

特种电机及其控制70设电枢绕组导体的有效长度为La，导体的线速度为v，则单根导体在气隙磁场中感应的电动势为

(V)(m/s)如电枢绕组每相串联匝数为W

，则每相绕组的感应电动势幅值为

特种电机及其控制711.5.3无刷直流电动机稳态性能的动态模拟

依据基尔霍夫定律，可得换相过程中的电路方程为续流结束后，换相完成，电路方程变为：

以上两式构成了无刷直流电动机的线电压模型

特种电机及其控制72特种电机及其控制731.5.4无刷直流电动机稳态性能的简化分析

为了简化分析，假设不考虑开关器件动作的过渡过程，并忽略电枢绕组的电感。这样，无刷直流电动机的电压方程可以简化为：

式中 UT——开关器件的管压降；

Ia——电枢电流；

E——线电动势，即电机的反电动势。

特种电机及其控制74对于三相六状态无刷直流电动机，任一时刻都有两相绕组导通，故电机的反电动势为

式中

Ce——电机的电动势常数，

电枢绕组的电流为

在任一时刻，电机的电磁转矩由两相绕组的合成磁场和转子磁场相互作用产生，则

特种电机及其控制75电机的转速为

空载转速为电动势系数为转矩系数为特种电机及其控制761-6无刷直流电动机的运行特性1.6.1机械特性机械特性曲线

堵转转矩为

特种电机及其控制77调节特性1.6.2调节特性调节特性的始动电压和斜率分别为特种电机及其控制781.6.3工作特性工作特性

120W样机效率特性

特种电机及其控制791.7无刷直流电动机的转矩脉动1.7.1转矩脉动的定义及引起转矩脉动的原因转矩脉动定义为

转矩脉动的主要原因电磁因素引起的转矩脉动换相引起的转矩脉动；定子齿槽引起的转矩脉动；电枢反应的影响；机械工艺引起的转矩脉动

特种电机及其控制801.7.2换相与转矩脉动1.换相过程中的相电流和转矩换相过程中电路方程为由于又得特种电机及其控制81整理，得换向过程中各相电流变化公式：特种电机及其控制82解上述微分方程组，并考虑各相电流的初值和终值为换相前后各相电流的稳态值，得特种电机及其控制832.电机转速对换相的影响(三种情况)1）ia与ib变化率相等，即ia降为0的同时,ib达到稳态值I令ia(tf)=0，可得换相时间为令ib(tf)=I，可得换相时间为所以：Us=4Em上式反应了在该换相条件下，外加电压与电机绕组反电势(也即转速)之间的相应关系特种电机及其控制84情况1特点：换相电流同时达到稳态情况1条件：Us=4Em换相电流变化曲线特种电机及其控制85换相电流变化曲线2）ia降为零时，ib还未达到稳态值I所以情况2发生的条件：U<4Em令ia(tf

)＝0，得ia降为零的时间tf

此时 <I特种电机及其控制863）ib达到稳态值I时，ia还未降为零换相电流变化曲线发生条件：

Us>4Em特种电机及其控制873.不同换相过程中转矩的脉动换相过程中的电磁转矩：因ia十ib十ic＝0，则有:换向期间电磁转矩与非换向相绕组中的电流成正比特种电机及其控制88情形1：Us＝4Em,Te保持恒定等于非换相时电机的电磁转矩Us＝4Em特种电机及其控制89情形2：Us<4Em,Te减少换向转矩脉动为：Us<4Em特种电机及其控制90情形3：Us>4Em，Te增大换向转矩脉动为:情形3：Us>4Em特种电机及其控制91结论1、换相转矩脉动决定于绕组反电势，也就是电机的转速，而与电枢稳态电流无关。2、当转速很低或堵转时，Em0,Tr＝50％；3、当转速很高时，Us＝2Em,Tr=-50％；4、当转速满足时，Us＝4Em,Tr=0。特种电机及其控制921-8无刷直流电动机转子位置信号的检测1.8.1转子位置传感器磁敏式位置传感器

——霍尔元件电磁式位置信感器

——高频线圈光电式位置信感器

——光耦合器件特种电机及其控制93置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场垂直，则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场，这个现象是霍普金斯大学研究生霍尔于1879年发现的，后被称为霍尔效应。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础，是一种磁传感器。可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔传感器主要有两大类，一类为开关型器件，一类为线性霍尔器件。特种电机及其控制94HallIC霍尔元件磁电转换HallIC霍尔元件功能方框图特种电机及其控制95HallIC安装方式第一种方式：将霍尔元件粘贴于电机端盖内表面，靠近霍尔元件并与之有一小间隙处，安装着与电机轴同轴的永磁体。第二种方式：直接将霍尔元件敷贴在定子电枢铁心气隙表面或绕组端部紧靠铁心处，利用电机转子上的稀土磁体主极作为传感器的水滋体，根据霍尔元件的输出信号即可判断转子磁极的位置，将信号放大处理后便可驱动逆变器工作。特种电机及其控制96HallIC安装示意图1、三个霍尔元件在空间依次相差120o电角度2、传感器磁极与转子磁极同轴旋转、极数相等、极性相对应特种电机及其控制97电磁式位置传感器定子:磁芯(高频导磁材料)

高频励磁绕组输出绕组组成转子：扇形磁芯非导磁衬套组成输入绕组中通以高频激磁电流，当转子扇形磁芯处在输出绕组下面时，输入和输出绕组通过定、转子磁芯耦台，输出绕组中则感应出高频信号，经滤波整形和逻辑处理后，即可控制逆变器开关管。特种电机及其控制98优点1：电磁式传感器具有较高的强度，可经受较大的振动冲击，故多用于航空航天领域。优点2：电磁式位置传感器输出信号较大，一般不需要经过放大便可直接驱动开关管，但因输出电压是交流，必须先整流。缺点：传感器过于笨重复杂，因而大大限制了其在普通条件下的应用。特种电机及其控制99(a)光电传感器电路原理图

(b)4极电机所用的遮光盘

对于两相导通星形三相六状态无刷直流电动机，三个光电开关在空间依次相差120

电角度，光电开关与电枢绕组的相对位置以及遮光盘与转子磁极的相对位置类似于霍尔位置传感器。

光电式位置传感器：装在电机转子上的遮光盘和固定不动的光电开关。遮光盘上开有180°电角度的扇形开口，扇形开口的数目等于无刷直流电动机转子磁极的极对数，4极电机所用遮光盘如图

(b)所示；特种电机及其控制1001.8.2常用的无位置传感器位置检测方法反电动势检测法续流二极管工作状态检测法定子三次谐波检测法(基波电动势换相法)瞬时电压方程法特种电机及其控制1011.8.2利用反电动势检测转子位置1.用端电压法检测反电动势过零点

A、B相导通时的电流回路图

°特种电机及其控制102电机三相绕组输出端对直流电源地的电压方程组为

反电动势过零检测方程组为

特种电机及其控制103三相绕组反电动势过零点检测方程组的第二种形式为

三相绕组反电动势过零点检测方程组的又种形式为

特种电机及其控制104基于端电压的反电动势检测电路

特种电机及其控制105基于相电压的反电动势检测电路

2.用相电压法检测反电动势过零点

将上图中检测电阻的中性点O与电源的负极断开，就得到如图所示的检测电路

反电动势的检测方程组为

特种电机及其控制1063.换相点的确定延迟30°换相原理图

特种电机及其控制1071.8.3三次谐波检测法的辨析反电动势三次谐波的检测方法思路——在星形联结的绕组三端并联一组星形联结的电阻，两个中性点s、N之间的电压即为三次谐波。°BLDCM反电动势为梯形波，含有较大的三次谐波分量。三次谐波分量的一个周期对应基波分量的120°电角度，其相邻两次过零点间隔60°电角度，正好与电机相邻两次换相的时间间隔相同，只是相位相差90°电角度，将反电动势的三次谐波分量移相90°电角度以后，得到的信号就可以作为转子位置信号，其每一个过零点均对应着一个电流的换相点。特种电机及其控制1081.8.3三次谐波检测法辨析假设电动势中只有基波和三次谐波，即：°特种电机及其控制109当电机的中性点没有引出线时，有人通过星型联结电阻的中性点s

与直流侧中点h之间电压来获取三次谐波分量，经过推导，得当VT1、VT2导通状态下uhs

的表达式为其中并无三次谐波电动势，其他状态下的uhs表达式中也不含三次谐波电动势。特种电机及其控制110uhs的实测波形实际上是由截取基波电动势的局部拼接而成的，看似三次谐波，其实与三次谐波电动势无关。如果利用uhs的过零点,将其移相30°(相当于文中所说的三次谐波90°)作为换相信号,电机是可以运行的。但这与是否存在电动势三次谐波无关。因此，所谓的“三次谐波检测法”实际上是“基波电动势换相法”。特种电机及其控制1111-9无刷直流电动机的控制原理及实现1.9.1无刷直流电动机控制系统原理特种电机及其控制112两相导通时的电路方程电动机的动力学方程线电动势、转矩机、电时间常数

拉氏变换特种电机及其控制113在忽略续流的情况下，无刷直流电动机的动态结构框图与普通直流电动机的相似。特种电机及其控制1141.9.2PWM调制方式(1)on_pwm型

特种电机及其控制115以A相→B相导通为例，在正常工作状态下，VT1导通，VT6通过PWM调制。当PWM开通时，VT6导通，可列出方程如下（1）on_pwm型特种电机及其控制116以A相→B相导通为例，在正常工作状态下，VT1导通，VT6通过PWM调制。当PWM关时，VT6关断，B相电流通过VD3续流，此时ua0=Us，ub0=Us由于ec在Em

和－Em

之间变化，当ec<0时，uc0<Us续流回路如图b（1）on_pwm型特种电机及其控制117以A相→B相导通为例，在正常工作状态下，VT1导通，VT6通过PWM调制。当PWM关时，VT6关断，B相电流通过VD3续流，此时ua0=Us，ub0=Us由于ec在Em

和－Em

之间变化，当ec>0时，uc0>Us，二极管VD5导通，将uc0钳位在Us，出现非导通相续流现象，电路如图(c)所示。（1）on_pwm型特种电机及其控制118(2)pwm_on型

特种电机及其控制119以A相→B相导通为例，在正常工作状态下，VT1通过PWM调制，VT6导通。当PWM开通时，VT1导通，可列出方程如下(2)pwm_on型

特种电机及其控制120以A相→B相导通为例，在正常工作状态下，VT1通过PWM调制，VT6导通。当PWM关时，VT1关断，A相电流通过VD4续流，此时ua0=0，ub0=0由于ec在Em

和－Em

之间变化，当ec>0时，uc0>0,续流回路如图(2)pwm_on型

特种电机及其控制121以A相→B相导通为例，在正常工作状态下，VT1通过PWM调制，VT6导通。当PWM关时，VT1关断，A相电流通过VD4续流，此时ua0=0，ub0=0由于ec在Em

和－Em

之间变化，当ec<0时，uc0<0，二极管VD2导通，将uc0钳位在0，出现非导通相续流现象，电路如图(c)所示。(2)pwm_on型

特种电机及其控制122(3)H_pwm-L_on型

在各自的120

导通区间内，上桥臂功率开关通过PWM调制、下桥臂开关管恒通。(4)H_on-L_pwm型

在这两种调制方式下，绕组的中性点N的电位均会出现波动，且都会出现非导通相续流现象特种电机及其控制123(5)H_pwm-L_pwm型

特种电机及其控制124以A相→B相导通为例，在正常工作状态下，VT1、VT6通过PWM调制。当PWM开通时，VT1、VT6导通，可列出方程如下(5)H_pwm-L_pwm型

特种电机及其控制125以A相→B相导通为例，在正常工作状态下，VT1、VT6通过PWM调制。当PWM关时，VT1、VT6关断，电流通过VD3、VD4续流，此时ua0=0，ub0=Us不会出现非导通相续流(5)H_pwm-L_pwm型

特种电机及其控制126由于功率开关管只能单向导通，所以BLDCM反转不能靠通以反向电压实现。只有靠控制绕组的导通顺序来实现。换相逻辑

转向1.9.3无刷直流电机正反转位置传感器与定子绕组、磁极的相互关系HallICPMPM特种电机及其控制127A

ZX

C

Y

BHA

HB

HC

HAHBHC导通100A→B(V1,V6)

位置1：N

S

NS120

-1特种电机及其控制128A

ZX

C

Y

BHA

HB

HC

HAHBHC导通110A→C(V1,V2)

位置2：N

S

NS120

-2特种电机及其控制129A

ZX

C

Y

BHA

HB

HC

HAHBHC导通010B→C(V3,V2)

位置3：N

S

NS120

-3特种电机及其控制130A

ZX

C

Y

BHA

HB

HC

HAHBHC导通011B→A(V3,V4)

位置4：N

S

NS120

-4特种电机及其控制131A

ZX

C

Y

BHA

HB

HC

HAHBHC导通001C→A(V5,V4)

位置5：N

S

NS120

-5特种电机及其控制132A

ZX

C

Y

BHA

HB

HC

HAHBHC导通101C→B(V5,V6)

位置6：N

S

NS120

-6特种电机及其控制133A

ZX

C

Y

BHA

HC

HB

HAHBHC导通110A→B(V1,V6)

位置1：N

S

NS60

-1特种电机及其控制134A

ZX

C

Y

BHA

HC

HB

HAHBHC导通111A→C(V1,V2)

位置2：N

S

NS60

-2特种电机及其控制135A

ZX

C

Y

BHA

HC

HB

HAHBHC导通011B→C(V3,V2)

位置3：N

S

NS60

-3特种电机及其控制136A

ZX

C

Y

BHA

HC

HB

HAHBHC导通001B→A(V3,V4)

位置4：N

S

NS60

-4特种电机及其控制137A

ZX

C

Y

BHA

HC

HB

HAHBHC导通000C→A(V5,V4)

位置5：N

S

NS60

-5特种电机及其控制138A

ZX

C

Y

BHA

HC

HB

HAHBHC导通100C→B(V5,Q6)

位置6：N

S

NS60

-6特种电机及其控制139正转逻辑工作状态IIIIIIIVVVIHA100011HB111000HC001110导通相A

BA

CB

CB

AC

AC

B导通管子VT1、VT6VT1、VT2VT3、VT2VT3、VT4VT5、VT4VT5、VT6特种电机及其控制140反转逻辑状态IIIIIIIVVVIHA110001HB000111HC011100导通相B

CA

CA

BC

BC

AB

A导通管子VT3

VT2VT1

VT2VT1

VT6VT5

VT6VT5

VT4VT3

VT4特种电机及其控制141正、反转控制逻辑特种电机及其控制1421.9.4控制系统的实现控制器是无刷直流电动机的三大组成部分之一，它主要包括开关主电路(即逆变器)、驱动电路和控制电路。特种电机及其控制1431、开关主电路对于单相交流电源供电、电机采用三相电枢绕组时，典型的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特种电机及其控制144整流电路由变压器TR1和整流桥BRl组成,将交流电源转换为直流电源滤波电路实现直流电源的低通滤波，形成低内阻硬持性直流电压源，同时与绕组感性负载交换无功功率，其功能由大电容C2实现缓冲电路是为减少开关管承受的尖峰电压。由R3、C3、D7组成RDC缓冲电路。缓冲电容C3应选用高频特性好的无感电容，D7应选择过渡正向电压低、反向恢复时间短的快速恢复二极管。逆变电路：功率开关管T1~T6、续流二极管D1~D6功率开关管Tl~T6通常为GTR、功率MOSFET、IGBT、GTO以及MCT等功率电子器件，也可以为功率集成电路PIC或智能功率模块IPM特种电机及其控制1452、驱动电路

驱动电路将控制电路的输出信号进行功率放大，并向各开关管送去能使其饱和导通和可靠关断的驱动信号。驱动电路的工作方式直接影响着开关管的一些参数和特性，从而影响着整个电机控制系统的正常工作。开关管的种类不同，对驱动信号的要求也不同，因而对应的驱动电路也不同。特种电机及其控制146常见集成驱动电路特种电机及其控制1473、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、正反转和停车信号进行逻辑综合,给驱动电路提供各开关管的斩波和选通信号,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，使系统具有较好的动态和静态性能。4)实现短路、过流和欠压等故障保护功能等。特种电机及其控制148控制电路的形式:1、分立元件全模拟电路——经济型2、专用集成控制电路——规模化、专用3、数模混合控制电路——半数字化(PID)4、全数字控制电路——高性能(MCUDSP)特种电机及其控制1491-10无刷直流电动机控制专用集成电路及其应用1.10.1无刷直流电动机专用集成电路

部分无刷直流电动机专用集成电路特种电机及其控制150

部分无刷直流电动机专用集成电路特种电机及其控制151具有PWM开环速度控制、使能控制(起动或停止)、正反转控制和能耗制动控制等功能

在外围加少许元件，便可以实现软起动，调试及检测非常方便

内部有锯齿波振荡器，频率可以根据需要进行设定

具有过流保护、欠压保护、过热保护功能

20脚塑封封装，内部带有温度补偿基准电源和转子位置传感器译码电路

MC3303的主要特点：

1.10.2无刷直流电动机控制器的(MC3303)应用特种电机及其控制152MC33033的电路原理图1、转子位置信号译码器电路2、限流电路3、具有温度补偿的内部基准电源电路4、锯齿波振荡电路5、脉宽调制比较器6、误差放大器7、输出驱动电路、8、欠压、过热保护电路特种电机及其控制153特种电机及其控制154MC33033引脚功能介绍

特种电机及其控制155MC33033主要引脚电源、地输入引脚：3路位置信号、电流检测信号输出引脚：6路驱动信号功能引脚：120/60

切换；正/反向；使能其他：如基准电压输出、特种电机及其控制156MC3303的典型应用电路

特种电机及其控制157片内含有PWM转速控制电路，根据参考值进行变速控制。速度环由片内放大器控制，速度信号的检测通过监测VCO(压控振荡器)的输出来完成

采用专门的起动技术，起动顺序为：检测位置、驱动、加速、设定速度；起动速度快，起动时无反转只用一个外部电阻就可调节和设定所有临界电流

可直接驱动12V电机的场效应管；也可用高端(对应逆变器的上桥臂)栅极驱动器驱动高压电机；可直接驱动外部场效应管的栅极且确保其不被击穿

由压控振荡器(VCO)、反电动势取样误差放大器和顺序器构成锁相环，利用锁相技术实现三相无刷直流电动机的闭环换相

主要特点1.10.3无位置传感器无刷直流电动机控制器ML4428的应用特种电机及其控制158ML4428管脚功能介绍

特种电机及其控制159ML4428管脚功能介绍(续)

特种电机及其控制160ML4428的功能框图

特种电机及其控制161反电动势检测电路

特种电机及其控制162ML4428驱动24~60V电机

特种电机及其控制1631-11无刷直流电动机的单片机控制1.11.1电机控制用单片机的选择可以实现较复杂的控制提高了控制的灵活性和适应性无零点漂移，控制精度高

可提供人机界面，多机联网工作使电路更简单

用微处理器取代模拟电路作为电动机的控制器优点

特种电机及其控制164电机控制对单片机的要求：具有PWM（脉宽调制）输出，实现调速。具有AD转换功能，将检测到的模拟量变为计算机能够识别的数字量。输入捕获功能，自动记录引脚电平变化状态和变化时刻，用于测速。通讯接口，实现人机对话或联网控制。特种电机及其控制165特种电机及其控制166原理图

1.11.2基于C8051单片机的无刷直流电机控制特种电机及其控制167二二导通方式下控制字(顺时针旋转)特种电机及其控制168二二导通方式下控制字(逆时针旋转)特种电机及其控制1691.11.3基于AVR单片机的控制系统特种电机及其控制170单片机最小系统原理图PortB端口的PB3配置为PWM输出；PB0、PB1、PB2引脚作为位置信号的输入；PortD端口的PD0、PD1、PD4、PD5、PD6、PD7引脚用作控制开关管的换相信号；PortC的PC0、PC1、PC2配置为ADC引脚。特种电机及其控制171HA、HB、HC经3个10kΩ电阻上拉，然后连接到ATmega88单片机PortB端口的PB0、PB1、PB2引脚通过对PortB寄存器中的数据与0x03进行“按位与运算”，可得到6个不同的结果，有了这6个值，就可以给定各个开关管的触发信号，根据需要控制其通断。HA、HB、HC组成的位置信号可构成8组状态(000-111)，其中HA、HB、HC同为高电平或同为低电平的状态是不存在的，所以位置信号的实际状态共有6组(001-110)，分别对应转子的6个位置。位置信号与换相特种电机及其控制172转速给定Hall转把输出0－5V的给定电压，通过阻容滤波环节后送入ADC0（PC0口）蓄电池电压检测选择合适的分压电阻R16和R17，将检测电压降低到0~5V范围内，通过R18、C12组成的阻容滤波电路，将电压检测值送入单片机的ADC1口。ISP（在系统编程）电路特种电机及其控制173IR2103S自举驱动电路当IR2103的输入端HIN和LIN同为低电平时，Ho为低电平，Lo为高电平，使VT4导通、VT1关断，同时，＋15V电源通过D6和VT4给C25充电。当HIN和LIN同为高电平时，Ho输出高电平，Lo输出低电平，VT4关断，C25的负极电位被抬升，D6截至，C25储存的电能为高端驱动提供电源，使VT1导通。特种电机及其控制174电流信号调理与过流保护R21＝0.01Ω为主电路的电流采样电阻，其两端的电压经过C18、R9、C9组成的阻容滤波器滤波后，送入放大器进行放大。LM358是一个单电源供电的双集成运算放大器。此处，其中一个运算放大器(IC5A)被用作同相放大器，另一个运算放大器(IC5B)被用作比较器。特种电机及其控制175电流信号调理与过流保护IC5A把电流采样值放大后，得到电流检测值Current，Current信号一方面被输入到单片机的ADC2口，进行电流闭环控制；另一方面被送到由IC5B构成的比较器的反相端，当Current的值大于设定的保护值时，比较器输出一个低电平的保护信号OC，OC和PWM信号经“与”运算后，使每相功率开关管的控制信号HIN都为0，关闭所有的上桥臂功率管，起到硬件保护的作用。特种电机及其控制176无刷直流电动机的额定电流参数计算过载倍数设定为3.85倍，电机允许的最大电流当主电路电流达到28A时，Current＝28×0.01×16＝4.48VIC5A(LM358做运放)的放大倍数IC5B（LM358做为比较器）的同相端的电压特种电机及其控制177主