車用電機(jī)及永磁無刷電機(jī)控制介紹PPT課件

1、1. 電機(jī)基本原理及類型介紹1.1 直流電機(jī)1.2 異步電機(jī)1.3 同步電機(jī)2. 車用電機(jī)類型及比較分析2.1 概述2.2 直流電機(jī)2.3 異步電機(jī)2.4 永磁無刷電機(jī)2.5 比較分析3. 永磁無刷電機(jī)原理分析3.1 原理3.2 永磁無刷電機(jī)概述3.3 無刷直流電機(jī)原理3.4 永磁同步電機(jī)原理3.5 工程實(shí)踐1 1第1頁/共95頁直流電機(jī)的基本工作原理：2 2第2頁/共95頁直流電機(jī)的基本工作原理：3 3第3頁/共95頁直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)：4 4第4頁/共95頁直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)：5 5第5頁/共95頁直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)：6 6第6頁/共95頁直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)：7 7第7頁/共95頁直流電機(jī)

2、的主要結(jié)構(gòu)：8 8第8頁/共95頁直流電機(jī)的額定值：9 9第9頁/共95頁直流電機(jī)的額定值：1010第10頁/共95頁直流電機(jī)的勵(lì)磁方式：1111第11頁/共95頁直流電機(jī)的勵(lì)磁方式：1212第12頁/共95頁異步電機(jī)的用途和特點(diǎn)：1313第13頁/共95頁異步電機(jī)的用途和特點(diǎn)：1414第14頁/共95頁異步電機(jī)的分類：1515第15頁/共95頁異步電機(jī)的分類：1616第16頁/共95頁異步電機(jī)的分類：1717第17頁/共95頁異步電機(jī)的基本工作原理：1818第18頁/共95頁異步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)：1919第19頁/共95頁異步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)：2020第20頁/共95頁異步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)：212

3、1第21頁/共95頁異步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)：2222第22頁/共95頁三相異步電機(jī)的額定值：2323第23頁/共95頁三相異步電機(jī)的額定值：2424第24頁/共95頁三相異步電機(jī)的額定值：2525第25頁/共95頁三相異步電機(jī)的功率關(guān)系損耗：2626第26頁/共95頁三相異步電機(jī)的功率關(guān)系功率平衡關(guān)系：2727第27頁/共95頁三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩關(guān)系轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系：2828第28頁/共95頁三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩關(guān)系轉(zhuǎn)矩與功率間的關(guān)系：2929第29頁/共95頁同步電機(jī)的用途：3030第30頁/共95頁同步電機(jī)的分類：3131第31頁/共95頁同步電機(jī)的分類：3232第32頁/共95頁同步電機(jī)的分類：3

4、333第33頁/共95頁同步電機(jī)的分類：3434第34頁/共95頁同步電機(jī)的基本原理：3535第35頁/共95頁同步電機(jī)的基本原理同步發(fā)電機(jī)的工作原理：3636第36頁/共95頁同步電機(jī)的基本原理同步電動(dòng)機(jī)的工作原理：3737第37頁/共95頁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)：3838第38頁/共95頁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)：3939第39頁/共95頁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)：4040第40頁/共95頁同步電機(jī)的額定值：4141第41頁/共95頁同步電機(jī)的額定值：4242第42頁/共95頁同步電機(jī)的額定值：4343第43頁/共95頁同步電機(jī)的額定值：4444第44頁/共95頁車用電機(jī)類型及比較分析車用電機(jī)主要類型：(

5、a)直流電機(jī)(DC motor)(b)異步電機(jī)(IM)(c)永磁無刷電機(jī)(PMSM&BLDC)(d)開關(guān)磁阻電機(jī)(SRM)4545第45頁/共95頁車用電機(jī)類型及比較分析汽車工業(yè)的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)：(a)直流電機(jī)：正在減少(b)異步電機(jī)：歐美汽車廠商(c)永磁無刷電機(jī)：日本、中國汽車廠商(d)開關(guān)磁阻電機(jī)：受到關(guān)注4646第46頁/共95頁車用電機(jī)類型及比較分析汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求的電機(jī)特點(diǎn)：(1)高的瞬時(shí)功率和高的功率密度(2)起動(dòng)和爬坡的低速高轉(zhuǎn)矩和高速巡航時(shí)的高功率(3)寬的調(diào)速范圍，包括常轉(zhuǎn)矩和常功率區(qū)(4)快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)(5)寬轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩范圍的高效率(6)制動(dòng)能量回饋的高效率(7)

6、各種工況下的高可靠性和魯棒性(8)合理的價(jià)格4747第47頁/共95頁車用電機(jī)類型及比較分析直流電機(jī)特點(diǎn)：(1)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性適合電動(dòng)汽車調(diào)速(2)轉(zhuǎn)速控制簡單(3)低效率和低可靠性(4)需要經(jīng)常維護(hù)4848第48頁/共95頁車用電機(jī)類型及比較分析異步電機(jī)特點(diǎn)：(1)可靠(2)低維護(hù)(3)低成本(4)效率較高4949異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性第49頁/共95頁車用電機(jī)類型及比較分析永磁無刷電機(jī)特點(diǎn)：(1)同等輸出功率下，重量和體積都可以減少(2)高效率(3)容易散熱(4)常功率范圍窄，需要弱磁(5)永磁體成本高5050異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性第50頁/共95頁車用電機(jī)類型及比較分析永磁無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特

7、性：5151永磁無刷電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性永磁無刷電機(jī)弱磁后轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性第51頁/共95頁車用電機(jī)類型及比較分析永磁無刷電機(jī)的應(yīng)用舉例：525210 kW motor of Honda Insight50 kW motor of Toyota Pruis第52頁/共95頁車用電機(jī)類型及比較分析永磁無刷電機(jī)的應(yīng)用舉例：5353第53頁/共95頁車用電機(jī)類型及比較分析車用電機(jī)比較分析：5454第54頁/共95頁永磁無刷電機(jī)原理分析直流電機(jī)原理：5555Operation behavior of Motors in a Four-Quadrant Representation第55頁/共95頁永磁無刷電機(jī)

8、原理分析5656Structure and Equivalent Circuit of DC Motors ( Parallel Exciting Mode)AAEMAUEIREK nMK I2AEMEURnMKKKAAEEUIRnKK第56頁/共95頁永磁無刷電機(jī)原理分析5757Parallel Connection Characteristics of DC Motors第57頁/共95頁永磁無刷電機(jī)原理分析5858I Quadrant Control of DC Motor (Buck Converter)第58頁/共95頁永磁無刷電機(jī)原理分析59594-Quadrant Control

9、 H-Bridge Driver of the DC Motor 第59頁/共95頁永磁無刷電機(jī)原理分析6060DC Motor Operating in I-Quadrant 前進(jìn)驅(qū)動(dòng)AAEEUIRnKK第60頁/共95頁永磁無刷電機(jī)原理分析6161Resistance Braking 內(nèi)阻制動(dòng)AUiRI第61頁/共95頁永磁無刷電機(jī)原理分析6262Resistance Braking 內(nèi)阻制動(dòng)第62頁/共95頁永磁無刷電機(jī)原理分析6363Generator Operation 發(fā)電第63頁/共95頁永磁無刷電機(jī)原理分析6464Counter Current Braking 反接電流制動(dòng)第6

10、4頁/共95頁永磁無刷電機(jī)原理分析6565DC Motor Operating in III-Quadrant 倒車驅(qū)動(dòng)第65頁/共95頁永磁無刷電機(jī)原理分析6666Resistance Braking 倒檔內(nèi)阻制動(dòng) 第66頁/共95頁永磁無刷電機(jī)原理分析6767Resistance Braking 倒檔內(nèi)阻制動(dòng)第67頁/共95頁永磁無刷電機(jī)原理分析6868Generator Braking 倒檔內(nèi)阻制動(dòng)第68頁/共95頁永磁無刷電機(jī)原理分析6969Counter Current Braking 倒檔電流反接制動(dòng)電機(jī)最重要的三個(gè)工作狀態(tài)：相電流、轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向第69頁/共95頁永磁無刷電機(jī)原理

11、分析永磁無刷電機(jī)分類：7070永磁同步電機(jī)(PMSM)：-正弦波反電勢(shì)-矢量控制并利用磁阻轉(zhuǎn)矩-高功率和高精度運(yùn)動(dòng)控制無刷直流電機(jī)(BLDC)：-方波反電勢(shì)-方波電流驅(qū)動(dòng)-小功率和低成本應(yīng)用第70頁/共95頁永磁無刷電機(jī)原理分析永磁無刷電機(jī)性能比較：7171第71頁/共95頁永磁無刷電機(jī)原理分析無刷直流電機(jī)(BLDC)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)：7272第72頁/共95頁永磁無刷電機(jī)原理分析永磁同步電機(jī)類型：7373第73頁/共95頁永磁無刷電機(jī)原理分析表貼式(SPMSM)和內(nèi)置式永磁同步電機(jī)(IPMSM)比較：7474第74頁/共95頁永磁無刷電機(jī)原理分析無刷直流電機(jī)原理：7575第75頁/共95頁永磁無刷電

12、機(jī)原理分析7676第76頁/共95頁永磁無刷電機(jī)原理分析7777第77頁/共95頁永磁無刷電機(jī)原理分析7878永磁無刷電機(jī)數(shù)學(xué)模型驅(qū)動(dòng)控制原理111000000000000AAAABBBBCCCCuiierLduriLiedtrLuiie/ema ab bc cmTe ie ie i驅(qū)動(dòng)控制試驗(yàn)Hall_CBA正向?qū)ㄩ_關(guān)反向?qū)ㄩ_關(guān)101T1、T6T3、T4001T1、T2T5、T4011T3、T2T5、T6010T3、T4T1、T6110T5、T4T1、T2100T5、T6T3、T2電壓方程：轉(zhuǎn)矩方程：閉環(huán)控制A相電流波形開環(huán)控制三相電流波形第78頁/共95頁永磁無刷電機(jī)原理分析7979無

13、刷直流電機(jī)六步換相制動(dòng)控制：采用電壓泵生原理：350r/min時(shí)，高邊調(diào)制制動(dòng)能量回饋試驗(yàn)350r/min時(shí)，全橋制動(dòng)能量回饋試驗(yàn)Hall_CBA上管關(guān)斷，下管PWM調(diào)制導(dǎo)通開關(guān)管下管關(guān)斷，上管PWM調(diào)制導(dǎo)通開關(guān)管5T4T31T4T53T6T52T6T16T2T14T2T3制動(dòng)控制試驗(yàn)：第79頁/共95頁永磁無刷電機(jī)原理分析8080永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型aaaabacafabbabbbcbfbccacbcccfcffafbfcfffLLLLiLLLLiLLLLiLLLLi同步電機(jī)的磁鏈電流關(guān)系：00 032dd daffqq qfaf dfffL iL iL iL iL iL i電壓方程：aaa

14、 abba bcca cffffdvR idtdvR idtdvR idtdvR idt000dda dmeqqqa qmedffffadvR idtdvR idtdvR idtdvR idt 功率和轉(zhuǎn)矩方程：sa ab bc cpv iv iv i0 03(2)2sd dq qpv iv iv i3()22ed qq dPTii第80頁/共95頁永磁無刷電機(jī)原理分析永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型8181第81頁/共95頁永磁無刷電機(jī)原理分析永磁同步電機(jī)矢量控制8282第82頁/共95頁永磁無刷電機(jī)原理分析8383第83頁/共95頁永磁無刷電機(jī)原理分析空間矢量電壓調(diào)制原理84840pi/2pi3/2*p

15、i2*pi-2/3Vd-1/3Vd01/3Vd2/3Vd t(rad/s)vbnvcnvan逆變器狀態(tài)及輸出逆變器狀態(tài)及輸出電壓矢量電壓矢量Sa Sb ScvAN/VDvBN/VDvCN/VD0態(tài) V00000001態(tài) V1001-1/3-1/32/32態(tài) V2010-1/32/3-1/33態(tài) V3011-2/31/31/34態(tài) V41002/3-1/3-1/35態(tài) V51011/3-2/31/36態(tài) V61101/31/3-2/37態(tài) V7111000第84頁/共95頁永磁無刷電機(jī)原理分析858500()xxyyzsxyV TV TV TVTV TTT60plm2233jjDxDysV TV

16、 eTVe Tplmplmplm03sin(60)3sin31cos(30)xsDysDsxysDVTTVVTTVVTTTTTV采用SVM一個(gè)完整周期占空比波形在一個(gè)開關(guān)周期Ts中設(shè)置零矢量的作用時(shí)間T0 ，可以調(diào)控輸出電壓的大小，一定的Tx 、 Ty 、 T0調(diào)決定了輸出電壓具有一定的相位角和相應(yīng)的輸出電壓大小。第85頁/共95頁永磁無刷電機(jī)原理分析弱磁控制8686弱磁控制的相量圖基于b之上的弱磁控制轉(zhuǎn)矩-速度曲線第86頁/共95頁永磁無刷電機(jī)原理分析制動(dòng)控制8787第87頁/共95頁永磁無刷電機(jī)原理分析電機(jī)簡介8888第88頁/共95頁永磁無刷電機(jī)原理分析8989第89頁/共95頁永磁無刷

17、電機(jī)原理分析9090第90頁/共95頁永磁無刷電機(jī)原理分析9191第91頁/共95頁永磁無刷電機(jī)原理分析電機(jī)分析驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率92920.810.810.810.820.820.820.820.830.830.830.830.840.840.840.840.850.850.850.850.860.860.860.860.860.860.870.870.870.870.870.870.870.870.870.870.870.870.880.880.880.880.880.880.880.880.880.890.890.890.890.890.890.890.890.90.90.90.90.90.9

18、0.90.920.920.920.920.940.94Pruis驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率n (r/min)T (Nm)0.810.810.810.820.820.820.820.830.830.830.830.840.840.840.840.850.850.850.850.860.860.860.860.860.860.870.870.870.870.870.870.870.870.870.870.870.870.880.880.880.880.880.880.880.880.880.890.890.890.890.890.890.890.890.90.90.90.90.90.90.90.920.920.920.920.9