無刷直流電機(jī).

特種電機(jī)及其控制1Permanent Magnet Brushless DC Motors (PM BLDCMs)特種電機(jī)及其控制20.1 永磁材料永磁材料 什么是永磁材料什么是永磁材料 ？0.1.1 永磁材料的特性永磁材料的特性0.1.2 常見的永磁材料常見的永磁材料特種電機(jī)及其控制3特種電機(jī)及其控制4特種電機(jī)及其控制5特種電機(jī)及其控制60.1.3 退磁曲線退磁曲線什么是退磁曲線什么是退磁曲線 ？什么是磁能積？什么是磁能積？0.1.4 回復(fù)線回復(fù)線特種電機(jī)及其控制70.2 永磁電機(jī)分類永磁電機(jī)分類 0.2.1 永磁同步電機(jī)永磁同步電機(jī) 正弦波驅(qū)動永磁同步電機(jī)，一般簡稱為正弦波驅(qū)動永磁同步電機(jī)，一般簡稱為永磁同永磁同步電機(jī)步電機(jī)。 方波驅(qū)動永磁同步電機(jī)，即方波驅(qū)動永磁同步電機(jī)，即無刷直流電機(jī)無刷直流電機(jī)。直流永磁電機(jī)直流永磁電機(jī)交流永磁電機(jī)交流永磁電機(jī)特種電機(jī)及其控制81.1 基本組成基本組成 位位 置置 檢檢 測測 器器 逆逆 變變 器器 電電 機(jī)機(jī) 本本 體體 控控 制制 信信 號號 控控 制制 器器 輸輸 出出 直直 流流 電電 源源 無刷直流電機(jī)構(gòu)成框圖無刷直流電機(jī)構(gòu)成框圖特種電機(jī)及其控制9 定定子子 永永磁磁轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子 傳傳感感器器定定子子 傳傳感感器器轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子 (a) 結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖 (b) 定轉(zhuǎn)子實際結(jié)構(gòu)定轉(zhuǎn)子實際結(jié)構(gòu) 特種電機(jī)及其控制10 N S N S N S N S 表面式磁極表面式磁極 N N N N N N S S S S S S 嵌入式磁極嵌入式磁極 N S N S N S N S 環(huán)形磁極環(huán)形磁極 內(nèi)內(nèi) 特種電機(jī)及其控制11實際電機(jī)實際電機(jī) 外外轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子 繞繞組組 永永磁磁體體 內(nèi)內(nèi)定定子子 結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖 特種電機(jī)及其控制12特種電機(jī)及其控制13 US A B C D b) b) 四相半橋主電路四相半橋主電路 US A B C a) a) 三相半橋主電路三相半橋主電路1) 非橋式（半橋式）非橋式（半橋式）半控型半控型特種電機(jī)及其控制142) 橋式橋式全控型全控型c) c) 星形聯(lián)結(jié)三相橋式主電路星形聯(lián)結(jié)三相橋式主電路 US VD1 VD4 VT1 VT4 VD5 VD2 VT3 VT6 VD3 VD6 VT5 VT2 A B C 特種電機(jī)及其控制15d) 三角形聯(lián)結(jié)三相橋式主電路三角形聯(lián)結(jié)三相橋式主電路 2) 橋式橋式全控型全控型 US VD1 VD4 VT1 VT4 VD5 VD2 VT3 VT6 VD3 VD6 VT5 VT2 A B C 特種電機(jī)及其控制162) 橋式橋式全控型全控型e)正交兩相全控型主電路正交兩相全控型主電路 US A B 特種電機(jī)及其控制172) 橋式橋式全控型全控型f) 封閉形聯(lián)結(jié)四相橋式主電路封閉形聯(lián)結(jié)四相橋式主電路 US A B C D 特種電機(jī)及其控制18繞組利用率：繞組利用率：三相繞組優(yōu)于四相、五相繞組三相繞組優(yōu)于四相、五相繞組轉(zhuǎn)矩脈動：轉(zhuǎn)矩脈動：相數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩脈動越小相數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩脈動越小電路成本：電路成本：相數(shù)越多，電路成本越高相數(shù)越多，電路成本越高星形聯(lián)接三相橋式主電路應(yīng)用最多星形聯(lián)接三相橋式主電路應(yīng)用最多特種電機(jī)及其控制19位位置置檢檢測測器器有位有位置傳置傳感器感器檢測檢測無位無位置傳置傳感器感器檢測檢測磁敏式磁敏式光電式光電式電磁式電磁式接近開關(guān)式接近開關(guān)式正余弦變壓器正余弦變壓器編碼器編碼器反電動勢檢測反電動勢檢測續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測定子三次諧波檢測定子三次諧波檢測瞬時電壓方程法瞬時電壓方程法特種電機(jī)及其控制20控控制制器器模擬模擬控制控制系統(tǒng)系統(tǒng) 數(shù)字?jǐn)?shù)字控制控制系統(tǒng)系統(tǒng) 分立元件加少量集分立元件加少量集成電路構(gòu)成的模擬成電路構(gòu)成的模擬控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 基于專用集成電路基于專用集成電路的控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng) 數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng)數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng) 全數(shù)字控制系統(tǒng)全數(shù)字控制系統(tǒng) 是無刷直流電動機(jī)正常運行并實現(xiàn)各種調(diào)速伺服是無刷直流電動機(jī)正常運行并實現(xiàn)各種調(diào)速伺服 功能的指揮中心功能的指揮中心 特種電機(jī)及其控制21永磁無刷直流永磁無刷直流電機(jī)系統(tǒng)圖電機(jī)系統(tǒng)圖控制電路對轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測的信號進(jìn)行邏輯變換控制電路對轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測的信號進(jìn)行邏輯變換后產(chǎn)生脈寬調(diào)制后產(chǎn)生脈寬調(diào)制PWMPWM信號，經(jīng)過驅(qū)動電路放大送至逆信號，經(jīng)過驅(qū)動電路放大送至逆變器各功率開關(guān)管，從而控制電動機(jī)各相繞組按一定變器各功率開關(guān)管，從而控制電動機(jī)各相繞組按一定順序工作，在電機(jī)氣隙中產(chǎn)生跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場。順序工作，在電機(jī)氣隙中產(chǎn)生跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場。 特種電機(jī)及其控制22 US A B C 特種電機(jī)及其控制23 VT2 VT6 VT4 VT1 VT3 VT5 A B C + US - - 位置檢測器的三個輸出信號通過邏輯電路控制這些位置檢測器的三個輸出信號通過邏輯電路控制這些開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，其控制方式有兩種：開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，其控制方式有兩種：。特種電機(jī)及其控制24 三相繞組的反電動勢波形及其二二導(dǎo)通方式下的導(dǎo)通規(guī)律三相繞組的反電動勢波形及其二二導(dǎo)通方式下的導(dǎo)通規(guī)律 特種電機(jī)及其控制25 三相繞組的反電動勢波形及其三三導(dǎo)通方式下的導(dǎo)通規(guī)律三相繞組的反電動勢波形及其三三導(dǎo)通方式下的導(dǎo)通規(guī)律 特種電機(jī)及其控制26在三相半橋主電路中，位置信號有在三相半橋主電路中，位置信號有1/3周期為高電平、周期為高電平、2/3周期為低電平，各傳感器之間的相位差也是周期為低電平，各傳感器之間的相位差也是1/3周期，如周期，如圖所示。圖所示。 0 120 240 360 480 t 0 120 240 360 480 t 0 120 240 360 480 t H1 H2 H3 旋轉(zhuǎn)磁場在旋轉(zhuǎn)磁場在360360 電角度范圍內(nèi)有三種磁狀態(tài)，每種電角度范圍內(nèi)有三種磁狀態(tài)，每種磁狀態(tài)持續(xù)磁狀態(tài)持續(xù)120120 電角度。我們把這種工作方式叫做單電角度。我們把這種工作方式叫做單相導(dǎo)通星形相導(dǎo)通星形三相三狀態(tài)三相三狀態(tài)。特種電機(jī)及其控制27 VT2 VT6 VT4 VT1 VT3 VT5 A B C + US - - 位置檢測器的三個輸出信號通過邏輯電路控制這些位置檢測器的三個輸出信號通過邏輯電路控制這些開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，其控制方式有兩種：開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，其控制方式有兩種：。特種電機(jī)及其控制28 電機(jī)的瞬時電磁轉(zhuǎn)矩可由電樞繞組的電磁功率求得： a abbc ceEiEiEiT式中式中E Ea a、E Eb b、E Ec cA A、B B、C C三相繞組的反電動勢；三相繞組的反電動勢；i ia a、i ib b、i ic cA A、B B、C C三相繞組的電流；三相繞組的電流； 轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度。轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度。 可見，電磁轉(zhuǎn)矩取決于反電動勢的大小。在一定的轉(zhuǎn)可見，電磁轉(zhuǎn)矩取決于反電動勢的大小。在一定的轉(zhuǎn)速下，如果電流一定，反電動勢越大，轉(zhuǎn)矩越大。速下，如果電流一定，反電動勢越大，轉(zhuǎn)矩越大。特種電機(jī)及其控制29三相繞組的反電動勢波形及其二二導(dǎo)通方式下的導(dǎo)通規(guī)律三相繞組的反電動勢波形及其二二導(dǎo)通方式下的導(dǎo)通規(guī)律 特種電機(jī)及其控制30 三相繞組的反電動勢波形及其三三導(dǎo)通方式下的導(dǎo)通規(guī)律三相繞組的反電動勢波形及其三三導(dǎo)通方式下的導(dǎo)通規(guī)律 特種電機(jī)及其控制31 V T2 V T6 V T4 V T1 V T3 V T5 C + US - - A C B 如圖所示的角形聯(lián)結(jié)三相橋式主電路的開關(guān)管也采用功率如圖所示的角形聯(lián)結(jié)三相橋式主電路的開關(guān)管也采用功率MOSFET。與星形聯(lián)結(jié)一樣，角形聯(lián)結(jié)的控制方式也有。與星形聯(lián)結(jié)一樣，角形聯(lián)結(jié)的控制方式也有二二二導(dǎo)通和三三導(dǎo)通二導(dǎo)通和三三導(dǎo)通兩種。兩種。 特種電機(jī)及其控制32 電樞繞組的反電動勢波形及其角形聯(lián)結(jié)二二導(dǎo)通方式的導(dǎo)通規(guī)律電樞繞組的反電動勢波形及其角形聯(lián)結(jié)二二導(dǎo)通方式的導(dǎo)通規(guī)律 特種電機(jī)及其控制33 電樞繞組的反電動勢波形及其角形聯(lián)結(jié)三三導(dǎo)通方式的導(dǎo)通規(guī)律電樞繞組的反電動勢波形及其角形聯(lián)結(jié)三三導(dǎo)通方式的導(dǎo)通規(guī)律 特種電機(jī)及其控制34電動機(jī)負(fù)載時電樞繞組產(chǎn)生的磁場對主磁場的影響稱為電動機(jī)負(fù)載時電樞繞組產(chǎn)生的磁場對主磁場的影響稱為電樞反應(yīng)電樞反應(yīng)。 電樞繞組的合成磁動勢變化電樞繞組的合成磁動勢變化如下圖所示如下圖所示 A Z B X C Y Fa Fr N S I Faq Fad II 特種電機(jī)及其控制35 A Z B X C Y Fa Fr N S I Faq Fad II 可見，在一個磁狀態(tài)范圍內(nèi)，電樞磁動勢在剛開始為最可見，在一個磁狀態(tài)范圍內(nèi)，電樞磁動勢在剛開始為最大去磁，然后去磁磁動勢逐漸減?。辉诖笕ゴ牛缓笕ゴ糯艅觿葜饾u減??；在1/21/2磁狀態(tài)時既不磁狀態(tài)時既不去磁也不增磁；在后半個磁狀態(tài)內(nèi)增磁逐漸增大，最后去磁也不增磁；在后半個磁狀態(tài)內(nèi)增磁逐漸增大，最后達(dá)到最大值。增磁和去磁磁動勢的大小等于電樞合成磁達(dá)到最大值。增磁和去磁磁動勢的大小等于電樞合成磁動勢動勢F Fa a在轉(zhuǎn)子磁極軸線上的投影，其最大值為在轉(zhuǎn)子磁極軸線上的投影，其最大值為特種電機(jī)及其控制36admsin2 sin2sin222mmmaawFFFIWK式中F 每相繞組的磁動勢；W每相繞組的串聯(lián)匝數(shù)； Kw繞組系數(shù)。 特種電機(jī)及其控制37特種電機(jī)及其控制3822222STaSTeeeeTUUrIUUrnTCCCC機(jī)械特性曲線 為為 rUUCICTTTstTst22特種電機(jī)及其控制39調(diào)節(jié)特性 調(diào)節(jié)特性的始動電壓和斜率分別為調(diào)節(jié)特性的始動電壓和斜率分別為TTeUCrTU220eCK1特種電機(jī)及其控制40工作特性 :實驗值 ：設(shè)計值 120W樣機(jī)效率特性 特種電機(jī)及其控制41轉(zhuǎn)矩脈動定義為轉(zhuǎn)矩脈動定義為 maxmin100%rNTTTT(1)(1)電磁因素引起的轉(zhuǎn)矩脈動電磁因素引起的轉(zhuǎn)矩脈動(2)(2)換相引起的轉(zhuǎn)矩脈動換相引起的轉(zhuǎn)矩脈動 ；(3)(3)定子齒槽引起的轉(zhuǎn)矩脈動；定子齒槽引起的轉(zhuǎn)矩脈動；(4)(4)電樞反應(yīng)的影響電樞反應(yīng)的影響 ；(5)(5)機(jī)械工藝引起的轉(zhuǎn)矩脈動機(jī)械工藝引起的轉(zhuǎn)矩脈動 特種電機(jī)及其控制42特種電機(jī)及其控制431 1、 開關(guān)主電路開關(guān)主電路特種電機(jī)及其控制44 驅(qū)動電路驅(qū)動電路將控制電路的輸出信號進(jìn)行功率放將控制電路的輸出信號進(jìn)行功率放大，并向各開關(guān)管送去能使其飽和導(dǎo)通和可大，并向各開關(guān)管送去能使其飽和導(dǎo)通和可靠關(guān)斷的驅(qū)動信號?？筷P(guān)斷的驅(qū)動信號。驅(qū)動電路的工作方式直接影響著開關(guān)管的一驅(qū)動電路的工作方式直接影響著開關(guān)管的一些參數(shù)和特性，從而影響著整個電機(jī)控制系些參數(shù)和特性，從而影響著整個電機(jī)控制系統(tǒng)的正常工作。統(tǒng)的正常工作。開關(guān)管的種類不同，對驅(qū)動信號的要求也不開關(guān)管的種類不同，對驅(qū)動信號的要求也不同，因而對應(yīng)的驅(qū)動電路也不同。同，因而對應(yīng)的驅(qū)動電路也不同。特種電機(jī)及其控制45常見集成驅(qū)動電路常見集成驅(qū)動電路特種電機(jī)及其控制46控制電路是無刷直流電動機(jī)正常運行并實現(xiàn)各種調(diào)速控制電路是無刷直流電動機(jī)正常運行并實現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心，它主要完成以下功能：伺服功能的指揮中心，它主要完成以下功能：1)對轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號、對轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號、PWM調(diào)制信號、正調(diào)制信號、正反轉(zhuǎn)和停車反轉(zhuǎn)和停車信號進(jìn)行邏輯綜合信號進(jìn)行邏輯綜合, 給驅(qū)動電路提供各開關(guān)給驅(qū)動電路提供各開關(guān)管的斬波和選通信號管的斬波和選通信號, 實現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及停車控制。實現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及停車控制。2)產(chǎn)生產(chǎn)生PWM調(diào)制信號，使電機(jī)的電壓隨給定速度信號調(diào)制信號，使電機(jī)的電壓隨給定速度信號而自動變化，實現(xiàn)電機(jī)開環(huán)調(diào)速。而自動變化，實現(xiàn)電機(jī)開環(huán)調(diào)速。3)對電動機(jī)進(jìn)行速度閉環(huán)調(diào)節(jié)和電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，使系對電動機(jī)進(jìn)行速度閉環(huán)調(diào)節(jié)和電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)具有較好的動態(tài)和靜態(tài)性能。統(tǒng)具有較好的動態(tài)和靜態(tài)性能。4)實現(xiàn)短路、過流和欠壓等故障保護(hù)功能等。實現(xiàn)短路、過流和欠壓等故障保護(hù)功能等。特種電機(jī)及其控制47控制電路的形式控制電路的形式:1、分立元件全模擬電路、分立元件全模擬電路經(jīng)濟(jì)型經(jīng)濟(jì)型2、專用集成控制電路、專用集成控制電路 規(guī)模化、專用規(guī)模化、專用3、數(shù)模混合控制電路、數(shù)?；旌峡刂齐娐?半數(shù)字化半數(shù)字化 (PID)4、全數(shù)字控制電路、全數(shù)字控制電路 高性能高性能(MCU DSP)特種電機(jī)及其控制48 速速度度給給定定 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向向設(shè)設(shè)定定 ACH0 WG1 WG1 WG2 WG2 WG3 WG3 柵柵極極 驅(qū)驅(qū)動動 電電路路 IR2130 IGBT 位位置置傳傳感感器器 P0.1 逆逆 變變 器器 BLDCM EPA P0.2 P0.3 P0.4 80C196MC 過過電電壓壓、過過電電流流保保護(hù)護(hù)電電路路 中中斷斷 特種電機(jī)及其控制49 速速度度給給定定 鍵鍵 盤盤 ADCINx PWM1 | PWM6 柵柵極極 驅(qū)驅(qū)動動 電電路路 IR2130 IGBT I/O 逆逆 變變 器器 BLDCM ADCINx 或或 CAPx DSP TMS320LF2407 保保護(hù)護(hù)電電路路 PDPINT 位位置置檢檢測測 電電流流檢檢測測 ADCINx 特種電機(jī)及其控制50v在電動車中的應(yīng)用在電動車中的應(yīng)用特種電機(jī)及其控制51特種電機(jī)及其控制52特種電機(jī)及其控制53v在計算機(jī)中的應(yīng)用在計算機(jī)中的應(yīng)用 轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)速為360rpm，穩(wěn)速精度為，穩(wěn)速精度為0.1%，運，運行壽命行壽命1000h以上。以上。 特種電機(jī)及其控制54v在計算機(jī)中的應(yīng)用在計算機(jī)中的應(yīng)用 轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)速為4500/5400/7500/10000rpm，穩(wěn)速精度，穩(wěn)速精度為為0.1%，平均無故障時間，平均無故障時間4萬萬h以上。磁頭與盤以上。磁頭與盤面距離面距離0.3-0.1m。 特種電機(jī)及其控制55v在計算機(jī)中的應(yīng)用在計算機(jī)中的應(yīng)用 特種電機(jī)及其控制56v在家用電器中的應(yīng)用在家用電器中的應(yīng)用 家用電器總的發(fā)展趨勢是低噪聲、節(jié)能型、智能化，對配套的家用電器總的發(fā)展趨勢是低噪聲、節(jié)能型、智能化，對配套的電動機(jī)提出了更高的要求。面對這些要求，傳統(tǒng)的單相異步電機(jī)往電動機(jī)提出了更高的要求。面對這些要求，傳統(tǒng)的單相異步電機(jī)往往不能很好地滿足，往不能很好地滿足， 為無刷直流電機(jī)的應(yīng)用提供了機(jī)會。以空調(diào)用為無刷直流電機(jī)的應(yīng)用提供了機(jī)會。以空調(diào)用風(fēng)扇電動機(jī)為例：風(fēng)扇電動機(jī)為例：特種電機(jī)及其控制57v在工業(yè)中的應(yīng)用在工業(yè)中的應(yīng)用 與其他類型電動機(jī)相比，無刷直流電動機(jī)具與其他類型電動機(jī)相比，無刷直流電動機(jī)具有以下優(yōu)勢：有以下優(yōu)勢： （1）動態(tài)響應(yīng)快；）動態(tài)響應(yīng)快； （2）控制性能好；）控制性能好； （3）體積小、重量輕；）體積小、重量輕； （4）效率高。）效率高。特種電機(jī)及其控制58v在醫(yī)療器械中的應(yīng)用在醫(yī)療器械中的應(yīng)用