BLDC電動機本體設(shè)計及控制原理(詳細(xì)版).ppt

1,稀土永磁無刷直流電動機,Rare Earth Permanent Magnet Brushless DC Motor ( BLDCM ),湖北工業(yè)大學(xué)稀土電機及控制研究所,2,稀土永磁無刷直流電動機,Rare Earth Permanent Magnet Brushless DC Motor， BLDCM 一、無刷電機概述 二、無刷電機原理與特性 三、無刷電機控制 四、無刷電機轉(zhuǎn)矩脈動 五、無刷電機電磁設(shè)計,3,稀土永磁無刷直流電動機,一、無刷電機概述,Rare Earth Permanent Magnet Brushless DC Motor，BLDCM,4,無刷直流電動機概述,1. 無刷直流電動機的應(yīng)用 2. 無刷直流電動機發(fā)展歷史 3. 無刷與有刷直流電動機比較 4. 無刷直流電動機的特點 5. 無刷直流電動機系統(tǒng)組成,5,無刷直流電動機概述,1. 無刷直流電動機的應(yīng)用,6,計算機中的無刷電機,7,計算機中的無刷電機,8,電動自行車中的無刷電機,9,家用電器中的無刷電機,10,本田 HEV INSIGHT,11,豐田混合電動汽車開發(fā)歷程,12,本田 Insight 發(fā)動機和無刷電機,13,并聯(lián)式混合動力系統(tǒng),14,本田CIVIC的動力分配策略,15,電動汽車中的無刷電機,電機及控制器,16,電動汽車中的無刷電機,永磁體,永磁體,外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的無刷電動機,17,外轉(zhuǎn)子混合勵磁無刷電機,18,電動汽車中的無刷電機,電機、控制器和減速箱一體化結(jié)構(gòu),19,2. 無刷直流電動機 發(fā)展歷史,無刷直流電動機概述,20,無刷直流電動機發(fā)展歷史, 有刷直流電動機 有刷直流電動機具有良好的起動和調(diào)速性能，但其存在換向器和電刷，導(dǎo)致?lián)Q向火花、電磁干擾、可靠性差、造價高等一系列問題。,21,無刷直流電動機發(fā)展歷史, 異步電動機 異步電動機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、價格便宜，但其調(diào)速和起動性能不佳。,22,無刷直流電動機發(fā)展歷史, 同步電動機 同步電動機具有良好的運行性能，但其起動性能不佳。,23,無刷直流電動機發(fā)展歷史, 上世紀(jì)三十年代，有人提出了用電子換相取代機械換向的無刷直流電動機概念，但當(dāng)時尚無理想的電子換相器件。,24,無刷直流電動機發(fā)展歷史, 1955 年，美國 D. 哈利森等人首次發(fā)明了應(yīng)用晶體管代替機械換向器的無刷直流電動機，但當(dāng)時沒有電機轉(zhuǎn)子位置檢測器件，該電機沒有起動能力。,25, 1962年，人們使用霍爾元件來檢測轉(zhuǎn)子位置并控制繞組電流換相，無刷直流電動機達到實用化，但受到晶體管容量的限制，電機容量相對較小。,無刷直流電動機發(fā)展歷史,26,無刷直流電動機發(fā)展歷史,三大技術(shù)有力推動了永磁無刷 直流電動機的快速發(fā)展 功率半導(dǎo)體器件 計算機控制技術(shù) 高性能稀土永磁材料,27,無刷直流電動機發(fā)展歷史, 70 年代以來，隨著新型功率半導(dǎo)體器件（如GTR，MOSFET，IGBT，IPM）相繼出現(xiàn)，計算機控制技術(shù)（單片機、DSP，新的控制理論）的快速發(fā)展，以及高性能稀土永磁材料（如 釤鈷、釹鐵硼）的問世，無刷直流電動機得到快速發(fā)展，容量不斷增大，并獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。,28,無刷直流電動機概述,3. 無刷直流電動機 的特點,29,無刷直流電動機分類, 無刷直流電動機分為方波和正弦波電流驅(qū)動。正弦波電流驅(qū)動的無刷電動機名稱比較多，英、美稱為永磁同步電動機（PMSM），或無刷交流電動機（BLACM），日本、歐洲一些國家則稱之為交流伺服電動機（AC Servo）” 。,30,無刷直流電動機分類,電動機,交流電動機,直流電動機,異步電動機,同步電動機,無刷直流,永磁同步,磁滯,步進,磁阻,混合,永磁,變磁阻,單相,多相,永磁,電勵磁,永磁,開關(guān)磁阻,同步磁阻,換向式,單極式,永磁,電勵磁,串勵,并勵,復(fù)勵,多相,單相,籠型,繞線,電容式,罩極式,電阻式,電容起動,電容運行,電容運行,31,無刷直流電動機分類,電動機,交流電動機,直流電動機,異步電動機,同步電動機,無刷直流,永磁同步,磁滯,步進,磁阻,混合,永磁,變磁阻,單相,多相,永磁,電勵磁,永磁,開關(guān)磁阻,同步磁阻,換向式,單極式,永磁,電勵磁,串勵,并勵,復(fù)勵,多相,單相,有刷直流,32,有刷直流電動機的基本結(jié)構(gòu),Bearing,33,有刷直流電動機的基本結(jié)構(gòu),稀土永磁有刷直流電動機,轉(zhuǎn)樞式,34,內(nèi)轉(zhuǎn)子，外定子 外轉(zhuǎn)子，內(nèi)定子,無刷直流電動機基本結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)場式,35,稀土永磁直流電動機結(jié)構(gòu)比較,內(nèi)轉(zhuǎn)子整數(shù)槽無刷直流電動機,36,稀土永磁直流電動機結(jié)構(gòu)比較,內(nèi)轉(zhuǎn)子分?jǐn)?shù)槽無刷直流電動機,37,稀土永磁直流電動機結(jié)構(gòu)比較,外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)稀土永磁無刷直流電動機,38,無刷直流電動機定義, 無刷直流電動機 無刷直流電動機是指沒有電刷等機械換向裝置，但具有有刷直流電動機（DCM）特性的電動機。,39,無刷與有刷直流電動機比較, 無刷直流電動機與有刷直流電動機有相同的運行機理。,40,無刷與有刷直流電動機比較, 無刷直流電動機與有刷直流電動機有相同的設(shè)計思想和設(shè)計方法。,41,無刷與有刷直流電動機比較, 有刷直流電動機磁極磁場與電樞磁場始終處于正交狀態(tài)。,42,無刷與有刷直流電動機比較,N,S,n,Ff,Fa,43,無刷與有刷直流電動機比較, 無刷直流電動機磁極磁場與電樞磁場處在某一變化范圍內(nèi)。如三相無刷直流電動機 60 120范圍內(nèi)變化。,44,無刷與有刷直流電動機比較, 相同條件下，無刷直流電動機轉(zhuǎn)矩脈動比有刷直流電動機大，電磁轉(zhuǎn)矩小。,45,無刷與有刷直流電動機比較, BLDCM 用電子換相取代 DCM 的機械換向，因而沒有電 刷與換向器。,46,無刷與有刷直流電動機比較, 通常情況下，BLDCM 的電樞繞組在定子上，勵磁（永磁體）在轉(zhuǎn)子上，與 DCM 中的定轉(zhuǎn)子互換了位置。,47,無刷與有刷直流電動機比較, 通常 BLDCM 帶有轉(zhuǎn)子位置檢測傳感器，而 DCM 則不需這種位置檢測裝置。,48,無刷直流電動機概述,4. 無刷直流電動機 的特點,49,無刷直流電動機主要特點, 永磁無刷結(jié)構(gòu) 電機免維護，可高速運行，因此可降低電機體積和重量，具有高功率和轉(zhuǎn)矩密度和高效率。,50,無刷直流電動機主要特點, 容易實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制 無刷直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩 Tem= KT Ff Fa sin 無刷直流電動機具有與直流電動機 相似的轉(zhuǎn)矩特性。,51,無刷直流電動機主要特點,電力拖動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動方程,52,無刷直流電動機主要特點,異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩 Tem=CTIa cos 一般情況下，F(xiàn)f 、Fa非正交， 即 、 Ia 之間存在耦合關(guān)系。,53,無刷直流電動機主要特點,直流電動機電磁轉(zhuǎn)矩 Tem= CT Ia = CT Ff Fa,54,無刷直流電動機主要特點,無刷直流電動機電磁轉(zhuǎn)矩 Tem= KT Ff Fa sin 一般情況下,為90（或平均值為90），調(diào)節(jié)永磁無刷直流電動機電樞電流（電壓）便可實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的控制。,55,無刷直流電動機主要特點, 系統(tǒng)成本相對較低 逆變器方波電流容易實現(xiàn)，控制器結(jié)構(gòu)較簡單；電機可采用整距集中繞組，制造工藝較簡單；轉(zhuǎn)子位置傳感器結(jié)構(gòu)簡單，成本低。,56,90年代以來永磁材料發(fā)展?fàn)顩r,永磁材料的磁能積,釹鐵硼,釤 鈷,鐵氧體,57,稀土永磁無刷直流電動機特點, 可明顯降低電機重量，減小其體積； 縮短轉(zhuǎn)子外徑，增加氣隙長度，進 而改善了電機的有關(guān)性能； 產(chǎn)生近似矩形波的氣隙磁場，可設(shè) 計成方波無刷直流電動機；,58,稀土永磁無刷直流電動機特點, 抗電樞反應(yīng)去磁能力強，更適合 突然反轉(zhuǎn)、堵轉(zhuǎn)等運行工況； 退磁曲線線性、可逆，簡化了設(shè) 計和分析。,59,5. 無刷直流電動機 系統(tǒng)組成,無刷直流電動機概述,60,無刷直流電動機系統(tǒng)組成, 無刷直流電動機系統(tǒng)組成 1） 控制器 2） 電機本體 3） 霍爾位置傳感器,61,無刷直流電動機系統(tǒng)組成,直流電源,控制器,電動機,轉(zhuǎn)子位置傳感器,輸出,無刷直流電動機系統(tǒng)框圖,62,無刷直流電動機系統(tǒng)組成,V1V6,A,C,B,控制電路,驅(qū)動電路,電 機,霍爾位置 傳感器,控 制 器,A,C,B,1,3,6,4,2,5,S,逆變電路,三相永磁無刷直流電動機系統(tǒng)圖,63,無刷直流電動機系統(tǒng)組成,某稀土永磁無刷直流電動機系統(tǒng)框圖,64,無刷直流電動機系統(tǒng)組成,1） 控制器,65,無刷直流電動機控制器,控制器的組成 開關(guān)主電路 驅(qū)動電路 控制電路,66,無刷直流電動機控制器,1,3,6,4,2,5,濾波電路 緩沖電路 逆變電路,接整流橋,D7,C3,R3,無刷直流電動機開關(guān)主電路,67,無刷直流電動機控制器, 緩沖電路作用 減少開關(guān)管承受的尖峰電壓，使開關(guān)管 工作在安全區(qū)域內(nèi)，提高主電路的可靠性。 C3：選用高頻性能好的無感電容 D7：選用快速恢復(fù)二極管 或選用整體緩沖電路。,68,無刷直流電動機控制器, 逆變電路 分立功率器件：功率晶體管GTR 、功率 場效應(yīng)管 MOSFET、絕緣柵晶體管 IGBT、可關(guān)斷晶閘管GTO、MCT 功率集成電路：功率開關(guān)管集成塊、智能 化功率模塊 IPM,69,無刷直流電動機控制器, 驅(qū)動電路作用 將控制電路的輸出信號進行功率放大， 并向各功率開關(guān)管送去能使其飽和導(dǎo)通和 可靠關(guān)斷的驅(qū)動信號。,70,無刷直流電動機控制器, 驅(qū)動電路 美國IR公司生產(chǎn)的六路集成驅(qū)動芯片（如 IR2130），具有集成度高、速度快、 過流欠壓保護、 開關(guān)頻率高、 價格便宜、調(diào)試方便等優(yōu)點。,71,無刷直流電動機控制器,無刷直流電動機微機控制系統(tǒng),uc,up,BLDCM,Rh,驅(qū)動電路,AD,電流檢測,三角波 發(fā)生器,PWM 發(fā)生器,電流 調(diào)節(jié)器,轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)器,位置信 號處理,邏輯控 制單元,運行狀 態(tài)判斷,反饋電流綜合,速度反饋單元,PS,72,無刷直流電動機控制器, 控制電路的作用（1） 對轉(zhuǎn)子霍爾位置傳感器輸出的信號、 PWM 調(diào)制信號、正反轉(zhuǎn)和制動信號 進行邏輯綜合，給驅(qū)動電路提供相應(yīng) 的導(dǎo)通和關(guān)斷信號；,73,無刷直流電動機控制器, 控制電路作用（2） 產(chǎn)生PWM調(diào)制信號，使電機電壓隨給 定轉(zhuǎn)速信號的變化而變化； 對電機進行速度環(huán)和電流環(huán)的調(diào)節(jié)； 實現(xiàn)短路、過流和欠壓等故障保護功能。,74,無刷直流電動機控制器,控制電路形式 分立元件全模擬電路：目前少用 專用集成控制電路：功能特定 數(shù)模混合控制電路：廣泛采用 全數(shù)字控制電路：發(fā)展方向,75,無刷直流電動機系統(tǒng)組成,2） 電機本體,76,無刷直流電動機電機本體,電機本體構(gòu)成 永磁轉(zhuǎn)子 定子繞組,77,無刷直流電動機電機本體, 永磁轉(zhuǎn)子,78,無刷直流電動機永磁轉(zhuǎn)子,徑向式 切向式,永磁體充磁方向,S,N,N,S,S,S,S,N,N,隔磁套,N,N,S,N,N,S,S,隔磁間隙,軸,軸,79,無刷直流電動機永磁轉(zhuǎn)子,稀土磁鋼主磁極,實心轉(zhuǎn)子鐵心,軸,N,S,N,S,S,N,N,S,等厚磁極的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),80,無刷直流電動機永磁轉(zhuǎn)子,切向無間隔等厚磁極的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),81,無刷直流電動機永磁轉(zhuǎn)子,軸,N,S,N,S,N,N,S,S,等徑磁極的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),82,無刷直流電動機永磁轉(zhuǎn)子,N,S,N,S,0,0,徑向式 切向式,稀土永磁磁極,永磁電機氣隙磁密波形,83,無刷直流電動機空載磁場,84,無刷直流電動機空載磁場,85,無刷直流電動機空載磁場,86,無刷直流電動機空載磁場,87,無刷直流電動機空載磁場,88,無刷直流電動機空載磁場,89,無刷直流電動機空載磁場,90,無刷直流電動機永磁轉(zhuǎn)子,六極永磁無刷直流電動空載磁場,91,增磁時的CPPM無刷電機,92,無刷直流電動機永磁轉(zhuǎn)子,1空載特性曲線 2負(fù)載特性曲線 3永磁體退磁曲線,空載工作點,負(fù)載工作點,磁鋼的空載和負(fù)載工作點,93,無刷直流電動機永磁轉(zhuǎn)子,磁鋼的低溫和高溫工作點,1負(fù)載特性曲線 2永磁體低溫退磁曲線 3永磁體高溫退磁曲線,低消耗溫工作點,高溫工作點,94, 定子繞組,無刷直流電動機電機本體,95,無刷直流電動機繞組型式, 整數(shù)槽分布繞組（q整數(shù)） 分?jǐn)?shù)槽分布繞組（q分?jǐn)?shù)） 變壓器式繞組（螺線管式繞組）,96,無刷直流電動機整數(shù)槽繞組, 某三相無刷直流電動機， 定子槽數(shù) Z12，極數(shù)2P4， q 12/431。,97,無刷直流電動機整數(shù)槽繞組,A,1,7,2,8,4,10,3,9,6,12,5,11,Y,Z,B,X,C,槽電動勢星形圖,三相分相結(jié)果（q =1）,98,無刷直流電動機整數(shù)槽繞組,單層整距分布繞組展開圖,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12,A B C X Y Z,N,S,N,S,99,無刷直流電動機整數(shù)槽繞組,A 相雙層短距分布繞組展開圖,N,S,N,S,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12,N,A,X,100, 某三相無刷直流電機，定子 槽數(shù) Z15，極數(shù) 2P4， q 15/4354。,無刷直流電動機分?jǐn)?shù)槽繞組,101,無刷直流電動機分?jǐn)?shù)槽繞組,Z=12，2P4，q=1 Z15，2P4，q=5/4 齒、極對齊，兩者相吸 齒、極錯開，產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩,整數(shù)槽,分?jǐn)?shù)槽,102,無刷直流電動機分?jǐn)?shù)槽繞組, 某三相無刷直流電機，定子 槽數(shù) Z18，極數(shù) 2P4， q 18/4332。,103,無刷直流電動機分?jǐn)?shù)槽繞組,1,9,2,10,3,11,4,12,5,13,6,14,7,15,8,16,17,18,三相分相結(jié)果（q=3/2）,A,B,C,X,Y,Z,104,無刷直流電動機分?jǐn)?shù)槽繞組,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18,N,S,N,S,N,A,X,A 相繞組展開圖 ( a = 2 ),105,無刷直流電動機分?jǐn)?shù)槽繞組,4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1 2 3,N,S,N,S,N,B,Y,B 相繞組展開圖 ( a = 2 ),106,無刷直流電動機分?jǐn)?shù)槽繞組,7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1 2 3 4 5 6,N,S,N,S,N,C,Z,C 相繞組展開圖 ( a = 2 ),107,無刷直流電動機分?jǐn)?shù)槽繞組, 某三相無刷直流電機，定子 槽數(shù) Z15，極數(shù) 2P4， q 15/4354。,108,無刷直流電動機分?jǐn)?shù)槽繞組,A,Y,B,C,Z,X,三相分相結(jié)果（q = 5/4）,槽電動勢星形圖,109,無刷直流電動機分?jǐn)?shù)槽繞組,A,N,S,N,S,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15,A 相繞組展開圖,X,順接組線圈: 1, 2, 9 反接組線圈: 5, 13,110,無刷直流電動機分?jǐn)?shù)槽繞組,B,Y,N,S,N,S,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15,B 相繞組展開圖,順接組線圈: 4, 11, 12 反接組線圈: 8, 15,111,無刷直流電動機分?jǐn)?shù)槽繞組,N,S,N,S,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15,C 相繞組展開圖,順接組線圈: 3, 10 反接組線圈: 6, 7, 14,C,Z,112,無刷直流電動機分?jǐn)?shù)槽繞組,N,S,N,S,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15,C 相繞組端部的另一接法,C,Z,113,無刷直流電動機分?jǐn)?shù)槽繞組, 某三相無刷直流電機，定子 槽數(shù) Z27，極數(shù) 2P6， q 27/6332。,114,無刷直流電動機分?jǐn)?shù)槽繞組,1,10,19,2,11,20,3,12,21,22,13,4,23,14,5,24,15,6,25,16,7,8,17,26,9,18,27,A,X,B,Y,Z,C,三相分相結(jié)果（q=3/2）,槽電動勢星形圖,115,無刷直流電動機分?jǐn)?shù)槽繞組,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27,N,S,N,S,N,S,A,X,116,無刷直流電動機分?jǐn)?shù)槽繞組,4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 1 2 3,N,S,N,S,N,S,B,Y,117,無刷直流電動機分?jǐn)?shù)槽繞組,7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 1 2 3 4 5 6,S,N,S,N,S,N,C,Z,118,無刷直流電動機分?jǐn)?shù)槽繞組, 某三相無刷直流電機，定子 槽數(shù) Z36，極數(shù) 2P8， q 36/8332。,119,無刷直流電動機分?jǐn)?shù)槽繞組,1,10,19,2,11,20,3,12,21,22,13,4,23,14,5,24,15,6,25,16,7,8,17,26,9,18,27,A,X,B,Y,Z,C,三相分相結(jié)果（q=3/2）,槽電動勢星形圖,120,無刷直流電動機變壓器式繞組,六槽永磁無刷直流電動機實物照片,121,無刷直流電動機變壓器式繞組,I、 槽數(shù) Z3，極數(shù) 2P2； II、 槽數(shù) Z6，極數(shù) 2P4； III、槽數(shù) Z9，極數(shù) 2P6；,122,無刷直流電動機變壓器式繞組,A,X,C,Z,B,Y,軸,槽數(shù) Z3，極數(shù) 2P2,C,B,A,X,Y,Z,I,123,無刷直流電動機變壓器式繞組,II,槽數(shù) Z6，極數(shù) 2P4,124,無刷直流電動機變壓器式繞組,槽電動勢星形圖,三相分相結(jié)果（q=0.5）,III,125,無刷直流電動機變壓器式繞組,1 2 3 4 5 6 7 8 9,A 相集中式繞組展開圖（a = 3）,A,X,126,無刷直流電動機變壓器式繞組,B 相集中式繞組展開圖（a=3）,2 3 4 5 6 7 8 9 1,B,Y,127,無刷直流電動機變壓器式繞組,C 相集中式繞組展開圖（a =3）,3 4 5 6 7 8 9 1 2,C,Z,S,N,N,S,N,S,128,無刷直流電動機系統(tǒng)組成,3） 霍爾位置傳感器,129,無刷直流電動機霍爾位置傳感器, 霍爾效應(yīng) 1879年美國霍普金斯大學(xué)霍爾（ E.H.Hall）發(fā)現(xiàn)，磁場中的導(dǎo)線有電流通過時，其橫向不僅受到力的作用，同時還出現(xiàn)電壓。 隨后，人們又發(fā)現(xiàn)，不僅導(dǎo)體，而且半導(dǎo)體也存在霍爾效應(yīng)，而且更明顯。,130,無刷直流電動機霍爾位置傳感器,控制電流 IH,霍爾電動勢E,磁感應(yīng)強度B,霍爾電動勢：,131,無刷直流電動機霍爾位置傳感器,霍爾集成電路,-0.025 0 0.025 B / T,運算放大器,功率 放大,霍爾元件,U0,Ucc,GND,0,1,2,3,4,U0 /V,開關(guān)型霍爾集成 電路特性曲線,132, 霍爾位置傳感器安裝 霍爾定子安裝 三個霍爾元件安裝在無刷電機的定子方，空間上彼此相差 120電角度 分別與無刷電機定子三相繞組首端所在槽中心線對齊。,無刷直流電動機霍爾位置傳感器,133,無刷直流電動機霍爾位置傳感器, 霍爾位置傳感器安裝 霍爾轉(zhuǎn)子安裝 與無刷電機轉(zhuǎn)子同軸安裝，薄磁片與霍爾元件氣隙 1mm 左右，永磁體軸線與無刷電機轉(zhuǎn)子主磁極軸線垂直。 霍爾轉(zhuǎn)子可直接利用無刷電機的主轉(zhuǎn)子。,134,無刷直流電動機霍爾位置傳感器,S,霍爾元件,電磁轉(zhuǎn)矩：,C,Y,B,Z,X,A,S,N,n,霍爾磁片,135,無刷直流電動機霍爾位置傳感器, 霍爾元件位置調(diào)校 在大批量生產(chǎn)情況下，可以采用嚴(yán)格控制主轉(zhuǎn)子永磁體質(zhì)量的一致性和提高霍爾元件的貼裝精度的措施，從而省去霍爾元件位置調(diào)校工作，達到簡化操作程序、降低制造成本的目的。,136,無刷直流電動機霍爾位置傳感器,轉(zhuǎn)子位置檢測波形,137,稀土永磁無刷直流電動機,二、無刷電機原理 與特性,Rare Earth Permanent Magnet Brushless DC Motor， BLDCM,138,無刷直流電動機原理與特性,1. 有刷直流電動機原理 2. 無刷電機運行原理 3. 無刷電機基本關(guān)系 4. 無刷電機基本特性,139,無刷直流電動機原理與特性,1. 有刷直流電動機原理,140,定、轉(zhuǎn)子磁場正交,有刷直流電動機原理,fem=Blia tem=femDa/2 Tem=temk ( k=1toN ) CTIa,ea=Blv Ea=eak ( k=1toN/2a ) =Cen,直流電動機電磁轉(zhuǎn)矩,N,S,Tem, n,ia,fem,fem,fem,fem,141,有刷直流電動機原理,直流電動機基本關(guān)系 電樞電動勢：Ea= Cen 電磁轉(zhuǎn)矩：Tem= CTIa 電壓平衡方程式：U2UEa+ IaRa 轉(zhuǎn)速特性：,142,有刷直流電動機原理,1號線圈換向開始 1號線圈正在換向 1號線圈換向結(jié)束,1 2 1 2 1 2,K,3,2,1,電刷靜止,K,3,2,1,K,3,2,1,ia,ia,ia,ia,ia,ia,2ia,2ia,2ia,直流電動機的機械換向過程,143,有刷直流電動機原理,1號線圈正在換向,直流電動機的機械換向過程,144,有刷直流電動機原理,換向元件中的電動勢,電抗電動勢,旋轉(zhuǎn)電動勢,145,有刷直流電動機原理,換向元件中的電流,直線換向電流,附加換向電流,146,有刷直流電動機原理,K,3,2,1,ia,ia,i,1 2,ia,i,Rb1,Rb2,Rb,換向過程電刷與換向器的接觸電阻,147,有刷直流電動機原理,0.5 1 t/Tk,Rb1+ Rb2,4Rb,0,換向元件回路串聯(lián)的總電阻,148,有刷直流電動機原理,t,換向元件中的附加電流,149,有刷直流電動機原理,直流電機的直線換向電流,Tk,150,有刷直流電動機原理,直流電機的延遲換向電流,t,0,i,Tk/2 tc,-Ia,Ia,Tk,iL,iK,151,有刷直流電動機原理,直流電機的延遲換向電流,152,有刷直流電動機原理,K,3,2,1,ia,ia,i,1 2,ia,i,左刷（后刷）邊出現(xiàn)火花,直流電動機的延遲換向,153,有刷直流電動機原理,K,3,2,1,ia,ia,i,1 2,ia,i,右刷（前刷）邊出現(xiàn)火花,直流電動機的超越換向,154,有刷直流電動機原理,換向極,N,S,n,ia,Sk,ek er,er ek,Bk,順著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向看，換向極的極性應(yīng)與主磁極的極性相反。,主磁極,換向極,Nk,直流電動機換向極的裝法,155,有刷直流電動機原理,直流電動機換向極的裝法,156,有刷直流電動機原理,N,S,n,ia,Sk,er ek,ek er,Bk,順著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向看，換向極的極性應(yīng)與主磁極的極性一致。,直流發(fā)電機換向極的裝法,Nk,換向極,157,有刷直流電動機原理,直流電動機 直流發(fā)電機,直流電機移動電刷位置改善換向,158,無刷直流電動機原理與特性,2. 無刷電機運行原理,159,無刷直流電動機運行原理,電機運行原理分析模型,Ff,S,C,X,B,Fa,C,Y,B,Z,A,N,S,n,id,A,a),b),定、轉(zhuǎn)子磁場正交,160,無刷直流電動機運行原理,有刷直流電動機,N,S,Tem, n,無刷直流電動機,定轉(zhuǎn)子交換位置,161,無刷直流電動機運行原理,Y C X B Z A Y C,原理分析模型展開圖,S,N,n,n,S,S,N,S,S,S,N,=90,永磁磁極,：磁狀態(tài)角,定子繞組等效磁極,162,無刷直流電動機原理與特性,3. 無刷電機基本關(guān)系,163,無刷直流電動機基本關(guān)系, 電磁轉(zhuǎn)矩, 恒定轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生條件,164,無刷直流電動機基本關(guān)系,360,0,B, ea, ia,ia,B,180,150,30,ea,t,N,S,1,梯形波無刷直流電動機波形圖,165,無刷直流電動機基本關(guān)系,三相電動勢、電流波形圖,e, i,0,0,360,0,iA,180,150,30,eA,iB,120,240,eB,eC,iC,t,t,t,A 相,B 相,C 相,166,無刷直流電動機基本關(guān)系,不同波形的無刷直流電動機,e,t,t,i,e,t,i,t,e,t,i,t,e,t,i,t,167,無刷直流電動機基本關(guān)系,EPS 無刷直流電動機的實測波形,相電動勢,霍爾位置信號,168,無刷直流電動機基本關(guān)系,EPS 無刷直流電動機的實測波形,相電動勢,169,無刷直流電動機基本關(guān)系,EPS 無刷直流電動機的實測波形,線電動勢,170,無刷直流電動機基本關(guān)系,電流仿真波形 電流實測波形,EPS 無刷直流電動機的實測波形,171,無刷直流電動機基本關(guān)系,172,無刷直流電動機基本關(guān)系,ua,uc,ub,ia,ib,ic,Ra L-M,Ra L-M,Ra L-M,ea,eb,ec,無刷直流電動機的等效電路,173,無刷直流電動機基本關(guān)系, 三相（無中線）無刷直流電動機的瞬態(tài)電壓方程,ua、ub、uc定子相繞組電壓； R定子相繞組電阻； ia、 ib、 ic定子相繞組電流； L定子相繞組電感； ea、eb、ec定子相繞組電動勢； M兩相繞組間的互感。,174,無刷直流電動機基本關(guān)系, 三相（無中線）無刷直流電動機的狀態(tài)方程,175,無刷直流電動機基本關(guān)系, 無刷直流電動機動態(tài)特性由下列方程來描述,176,無刷直流電動機基本關(guān)系,無刷直流電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖,177,無刷直流電動機原理與特性,4. 無刷電機基本特性,178,無刷直流電動機基本特性,不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的機械特性, 機械特性：,n,Tem,0,1：普通直流電動機 2：徑向式結(jié)構(gòu)無刷電動機（電感較小） 3：切向式結(jié)構(gòu)無刷電動機（電感較大）,179,無刷直流電動機基本特性,1000,4000,3000,2000,2,4,6,n/(rpm),Tem/(N.m),0,2,8,6,4,2,4,6,Tem/(N.m),Ia/(A),0,機械特性 轉(zhuǎn)矩特性,一臺稀土永磁無刷直流電動機（方波驅(qū)動）的實測特性,180,稀土永磁無刷直流電動機,三、無刷電機控制,Rare Earth Permanent Magnet Brushless DC Motor ， BLDCM,181,無刷直流電動機控制,1. 無刷電機正反轉(zhuǎn) 2. 無刷電機回饋制動 3. 無刷電機起動與調(diào)速 4. 無刷電機閉環(huán)控制,182,無刷直流電動機控制,1. 無刷電機正反轉(zhuǎn),183,無刷直流電動機正反轉(zhuǎn),1）無刷電機正向運行,184,無刷直流電動機正向運行,C,X,S,B,Fa,C,Y,B,Z,A,Ff,三相星形六磁狀態(tài),id,N,S,n,max =120,A,A、B 相繞組通入直流電流 id,185,無刷直流電動機正向運行,C,X,S,B,Fa,C,Y,B,Z,A,Ff,id,N,S,n,min =60,A,電動機正轉(zhuǎn) 60 電角度,186,無刷直流電動機正向運行,S,C,Y,B,Z,A,Fa,Ff,X,B,C,A,S,N,S,n,id,A、C 相繞組通入直流電流 id,187,無刷直流電動機正向運行,S,C,Y,B,Z,A,Fa,Ff,X,B,C,A,S,N,S,n,id,電動機正轉(zhuǎn) 60 電角度,188,無刷直流電動機正向運行,S,C,Y,B,Z,X,A,Ff,Fa,C,B,A,N,S,n,id,B、C 相繞組通入直流電流 id,189,無刷直流電動機正向運行,S,C,Y,B,Z,X,A,Ff,Fa,C,B,A,N,S,n,id,電動機正轉(zhuǎn) 60 電角度,190,無刷直流電動機正向運行,Ff,X,B,C,Y,Z,A,B,C,A,Fa,N,S,S,n,id,B、A 相繞組通入直流電流 id,191,無刷直流電動機正向運行,Ff,X,B,C,Y,Z,A,B,C,A,Fa,N,S,S,n,id,電動機正轉(zhuǎn) 60 電角度,192,無刷直流電動機正向運行,B,C,A,S,id,C、A 相繞組通入直流電流 id,Ff,X,B,C,Y,Z,A,Fa,N,S,n,193,無刷直流電動機正向運行,B,C,A,S,id,Ff,X,B,C,Y,Z,A,Fa,N,S,n,電動機正轉(zhuǎn) 60 電角度,194,無刷直流電動機正向運行,X,B,C,A,Z,Fa,Ff,Y,B,C,A,N,S,S,n,id,C、B 相繞組通入直流電流 id,195,無刷直流電動機正向運行,X,B,C,A,Z,Fa,Ff,Y,B,C,A,N,S,S,n,id,電動機正轉(zhuǎn) 60 電角度,196,無刷直流電動機正向運行,C,X,S,B,Fa,C,Y,B,Z,A,Ff,id,N,S,n,A,A、B 相繞組通入直流電流 id,197,無刷直流電動機正向運行,逆變器功率管驅(qū)動信號,V3,300,180,180,V1,V4,V6,120,240,60,60,360,120,240,300,360,V2,V6,V5,t,t,t,t,t,t,三相電流波形,120,240,300,180,240,360,iC,iB,iA,t,t,t,60,60,120,300,180,360,A,B,A,C,B,C,B,A,A,C,C,B,B,A,198,無刷直流電動機正反轉(zhuǎn),注：紅色字體電壓表示霍爾元件輸出高電平信號； 藍色字體電壓表示霍爾元件輸出低電平信號。,199,無刷直流電動機反向運行,反向運行時的三相電流波形,200,無刷直流電動機正反轉(zhuǎn),2）無刷電機反向運行,201,無刷直流電動機反向運行,A,Fa,S,C,Y,B,Z,X,Ff,N,S,n,A 、C 相繞組通入直流電流 id,C,B,id,A,202,無刷直流電動機反向運行,電動機反轉(zhuǎn) 60 電角度,Ff,A,Fa,S,C,Y,B,Z,X,N,S,n,C,B,id,A,203,無刷直流電動機反向運行,Ff,A,Fa,S,C,Y,B,Z,N,S,n,C,B,id,A,A 、B 相繞組通入直流電流 id,204,無刷直流電動機反向運行,A,Fa,S,C,Y,B,Z,N,S,n,C,B,id,A,電動機反轉(zhuǎn) 60 電角度,Ff,205,無刷直流電動機控制,2. 無刷電機回饋制動,206,無刷直流電動機回饋制動,正向制動時電磁轉(zhuǎn)矩的方向,正向電動運行 正向回饋制動,Tem,Tem,n,n,TL,TL,207,無刷直流電動機回饋制動, 回饋制動原理 只要改變同一磁極下電樞電流的方向，就可改變電動機電磁轉(zhuǎn)矩的方向（fem=Bl ia），產(chǎn)生制動性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩，電機進入正向制動（回饋發(fā)電）狀態(tài)，將機械動能轉(zhuǎn)換為電能消耗在直流環(huán)的電阻Rh（或?qū)﹄姵爻潆姡?208,無刷直流電動機回饋制動,C,B,id,id,B,C,A,A,A B B A,改變同一磁極下電樞電流的方向,209,無刷直流電動機回饋制動, 回饋制動方法 改變同一磁極下電樞電流的方向，只須把同一橋臂上下兩個功率管的導(dǎo)通時刻互換即可。如正向電動時V1導(dǎo)通的時刻由V4來代替，V6導(dǎo)通的時刻由V3來代替，電動機就會產(chǎn)生正向制動性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩。,210,無刷直流電動機回饋制動,C,S,B,X,Fa,C,Y,B,Z,A,Ff,N,S,n,id,正向制動前電機處于正向電動狀態(tài),211,無刷直流電動機回饋制動,id,B,C,A,S,X,Fa,C,Y,B,Z,A,Ff,N,S,n,正向制動時電樞磁動勢改變方向,212,無刷直流電動機回饋制動,正向電動狀態(tài) 回饋制動,X,Fa,C,Y,B,Z,A,Ff,N,S,n,X,Fa,C,Y,B,Z,A,Ff,N,S,n,213,無刷直流電動機控制,正向電動,反向電動,正向回饋運行,正向回饋過程,反向回饋,1,2,3,4,Tem,n,214,無刷直流電動機控制,3. 無刷電機起動與調(diào)速,215,無刷直流電動機起動與調(diào)速,1） 無刷電機起動,216, 無刷直流電動機起動,無刷直流電動機起動,同樣，無刷直流電動機全壓起動時起動電流也很大，這是主電路功率開關(guān)管和電機所不允許的。 通常采用降壓起動，以限制起動電流。,217,無刷直流電動機起動與調(diào)速,2） 無刷電機調(diào)速,218,無刷直流電動機調(diào)速,電動汽車要求的驅(qū)動電機機械特性,恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速,恒功率調(diào)速,219,無刷直流電動機調(diào)速,調(diào)速方法 降壓調(diào)速 弱磁調(diào)速,220,無刷直流電動機降壓調(diào)速,t,up,u,t,電流調(diào)節(jié) 器輸出信號,三角波發(fā)生 器輸出信號,PWM 發(fā)生器輸出信號,PWM 信號產(chǎn)生原理,ur,uc,221,無刷直流電動機弱磁調(diào)速,調(diào)速方法 控制方法 結(jié)構(gòu)方法,222,無刷直流電動機弱磁調(diào)速, 控制方法 即改變逆變器開關(guān)元件的觸發(fā)角，使定子電流的相位提前，產(chǎn)生一個去磁的電樞磁動勢，削弱永磁磁場。 加弱磁線圈 即在電機定子鐵芯中加入弱磁線圈，通入直流電流，產(chǎn)生一個軸向附加磁場，根據(jù)電流方向不同，可以削弱（或增加）永磁磁場。,223,無刷直流電動機弱磁調(diào)速, 控制方法,224,無刷直流電動機弱磁調(diào)速,Fad =0，無去磁作用,F,Fa= Faq,C,Y,B,Z,A,Ff,N,S,n,= 90,225,無刷直流電動機弱磁調(diào)速,Fad 的最大去磁作用,Faq,Fad,F,Fa,C,Y,B,Z,A,Ff,N,S,n,= 120,90120,226,無刷直流電動機增磁調(diào)速,Fad 的最大增磁作用,Fad,F,Faq,Fa,C,Y,B,Z,A,Ff,N,S,n,= 60,227,無刷直流電動機弱磁調(diào)速,e, i,0,0,360,0,iA,180,150,30,eA,iB,150,270,eB,eC,iC,t,t,t,電流超前電動勢相位角,228,無刷直流電動機弱磁調(diào)速,1200 1600 2000 2400 n/ (r min-1),Tem (N.m),20,40,60,80,120,140,160,0,=45,=40,=30,=0,不同相位角時無刷電機機械特性,229,無刷直流電動機弱磁調(diào)速, 增大電流超前角可顯著提高電動機的調(diào)速范圍； 的