最新2019-第7章無刷直流電動機(jī)-PPT課件

1、溫故知新溫故知新1、直流伺服電動機(jī)工作原理，換向器和電刷的作用？（p35）2、交流同步伺服電動機(jī)工作原理（p54）直流伺服電機(jī) 交流伺服電機(jī) brushless dc motors (bldcms)47.1.1 概述及基本組成 無刷：克服傳統(tǒng)直流電動機(jī)機(jī)械換向方式缺點無刷：克服傳統(tǒng)直流電動機(jī)機(jī)械換向方式缺點優(yōu)點：調(diào)速性能好，體積小質(zhì)量輕，效率高，轉(zhuǎn)優(yōu)點：調(diào)速性能好，體積小質(zhì)量輕，效率高，轉(zhuǎn)動慣量小，無勵磁損耗動慣量小，無勵磁損耗應(yīng)用領(lǐng)域：航空航天，機(jī)器人，數(shù)控機(jī)床等精密應(yīng)用領(lǐng)域：航空航天，機(jī)器人，數(shù)控機(jī)床等精密傳動領(lǐng)域傳動領(lǐng)域57.1.1 概述及基本組成 位置傳感位置傳感器器 逆變器逆變器 電

2、機(jī)本體電機(jī)本體 控制信號控制信號 控制器控制器 輸輸 出出 直流電直流電 源源 無刷直流電機(jī)構(gòu)成框圖6 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 (b) 定轉(zhuǎn)子實際結(jié)構(gòu) 7 n s n s n s n s 表面式磁極 n n n n n n s s s s s s 嵌入式磁極 n s n s n s n s 環(huán)形磁極 內(nèi) 8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 9作用：控制電機(jī)定子各相繞組通電順序和時間。作用：控制電機(jī)定子各相繞組通電順序和時間。分類：半橋式（半控）分類：半橋式（半控） 橋式（全控）橋式（全控

3、）10 us a b c d b) 四相半橋主電路 us a b c a) 三相半橋主電路1) 非橋式（半橋式）半控型112) 橋式全控型c) 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 12d) 三角形聯(lián)結(jié)三相橋式主電路 2) 橋式全控型 us vd1 vd4 vt1 vt4 vd5 vd2 vt3 vt6 vd3 vd6 vt5 vt2 a b c 13繞組利用率：三相繞組優(yōu)于四相、五相繞組轉(zhuǎn)矩脈動：相數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩脈動越小電路成本：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)用最多位置傳感器：實

4、時檢測轉(zhuǎn)子位置15位置傳感器有位置傳感器檢測無位置傳感器檢測磁敏式光電式電磁式接近開關(guān)式正余弦變壓器編碼器反電動勢檢測續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測定子三次諧波檢測瞬時電壓方程法16控制器模擬控制系統(tǒng) 數(shù)字控制系統(tǒng) 分立元件加少量集成電路構(gòu)成的模擬控制系統(tǒng) 基于專用集成電路的控制系統(tǒng) 數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng) 全數(shù)字控制系統(tǒng) 是無刷直流電動機(jī)正常運(yùn)行并實現(xiàn)各種調(diào)速伺服 功能的指揮中心 17：無刷直流電動機(jī)正常運(yùn)行并實現(xiàn)各種調(diào)：無刷直流電動機(jī)正常運(yùn)行并實現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心速伺服功能的指揮中心 ：實時檢測轉(zhuǎn)子位置：實時檢測轉(zhuǎn)子位置：控制電機(jī)定子各相繞組通電順序和時間：控制電機(jī)定子各相繞組通電順序和時間1

5、8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)行邏輯變換后產(chǎn)生脈寬調(diào)制pwm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)各相繞組按一定順序工作，在電機(jī)氣隙中產(chǎn)生跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場。 19工作原理工作原理磁極圖示位置位置信號邏輯變換v1、v6開通 a、b相導(dǎo)通i:e+-a-b-e- 電機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)磁極轉(zhuǎn)過60o圖示位置位置信號邏輯變換v1、v2 開通 a、c相導(dǎo)通i: e+-a-c-e- 電機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60o，逆變器開關(guān)管換流一次、定子磁狀態(tài)改變一次，電機(jī)有6個磁狀態(tài)，三相各導(dǎo)通120o轉(zhuǎn)子磁場順時針連續(xù)旋轉(zhuǎn)、定子磁場隔60o跳躍旋轉(zhuǎn)20

6、兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)時繞組和開關(guān)管導(dǎo)通順序表兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)時繞組和開關(guān)管導(dǎo)通順序表21無刷直流電動機(jī)回顧無刷直流電動機(jī)回顧1、系統(tǒng)組成及各部分作用、系統(tǒng)組成及各部分作用2、簡述工作原理、簡述工作原理22 vt3 us a b c vt1 vt2 h1 h2 h3 23在三相半橋主電路中，位置信號有1/3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1/3周期，如圖所示。 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360電角度范圍內(nèi)有三種磁狀態(tài)，每種磁狀態(tài)持續(xù)120電角

7、度。我們把這種工作方式叫做單相導(dǎo)通星形三相三狀態(tài)三相三狀態(tài)。24三相三狀態(tài)bldcm 原理傳感器：h1=1 h2=0 h3=1導(dǎo)通相：b25傳感器：h1=1 h2=0 h3=0導(dǎo)通相：b26傳感器：h1=1 h2=1 h3=0導(dǎo)通相：c27傳感器：h1=0 h2=1 h3=0導(dǎo)通相：c28傳感器：h1=0 h2=1 h3=1導(dǎo)通相：a29傳感器：h1=0 h2=0 h3=1導(dǎo)通相：a30傳感器：h1=1 h2=0 h3=1導(dǎo)通相：b31 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開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，其控制方式有兩種

8、：。32 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ea、eb、eca、b、c三相繞組的反電動勢；ia、ib、ica、b、c三相繞組的電流；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)速下，如果電流一定，反電動勢越大，轉(zhuǎn)矩越大。每一瞬間只有兩個功率管導(dǎo)通33工作原理工作原理磁極圖示位置位置信號邏輯變換v1、v6開通 a、b相導(dǎo)通i:e+-a-b-e- 電機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)磁極轉(zhuǎn)過60o圖示位置位置信號邏輯變換v1、v2 開通 a、c相導(dǎo)通i: e+-a-c-e- 電機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60o，逆變器開關(guān)管換流一次、定子磁狀態(tài)改變一次，

9、電機(jī)有6個磁狀態(tài)，三相各導(dǎo)通120o轉(zhuǎn)子磁場順時針連續(xù)旋轉(zhuǎn)、定子磁場隔60o跳躍旋轉(zhuǎn)34兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)時繞組和開關(guān)管導(dǎo)通順序表兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)時繞組和開關(guān)管導(dǎo)通順序表35三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 每一瞬間有三個功率管同時導(dǎo)通37 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 38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)。 電樞繞組的合成磁動勢變化如下圖所示 a z b x c y fa fr n s i faq fad ii 39 a z b x c y fa fr n s i fa

10、q 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大去磁，然后去磁磁動勢逐漸減??；在1/2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fa在轉(zhuǎn)子磁極軸線上的投影，其最大值為40admsin2 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)。 41無刷直流電機(jī)的磁場、電勢、電流波形42 假設(shè) (1) 電動機(jī)的氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度在空間呈梯形(近似為方波)分布；(2) 定子齒槽的影響忽略不計；(3) 電樞反應(yīng)對氣隙磁通的影響忽略不計；(4) 忽略電機(jī)中的磁滯和渦

11、流損耗；(5) 三相繞組完全對稱。 直接利用電動機(jī)本身的相變量來建立數(shù)學(xué)模型 43定子相繞組電壓定子相繞組電流定子相繞組自感、互感定子相繞組電動勢微分算子cbacbacbacbaeeeiiidtdlmmmlmmmliiirrruuu00000044：ia+ib+ic=0mia+mib=-micmib+mic=-miamia+mic=-mibcbacbacbacbaeeeiiidtdmlmlmliiirrruuu00000000000045 r lm ec us vd1 vd4 vt1 vt4 vd5 vd2 vt3 vt6 vd3 vd6 vt5 vt2 r lm ea + - - + - -

12、 + - - ia ib ic r lm eb a b c 46 無刷直流電動機(jī)氣隙磁密及反電動勢波形如下圖所示 47設(shè)電樞繞組導(dǎo)體的有效長度為la，導(dǎo)體的線速度為v，則單根導(dǎo)體在氣隙磁場中感應(yīng)的電動勢為 (v) vlbea60260npndv(m/s) 如電樞繞組每相串聯(lián)匝數(shù)為w，則每相繞組的感應(yīng)電動勢幅值為 ncnpweweeim152ailb48 依據(jù)基爾霍夫定律，可得換相過程中的電路方程為()0()0acmaamccbcmbbmccsabcdidilrielriedtdtdidilrielrieudtdtiii續(xù)流結(jié)束后，換相完成，電路方程變?yōu)椋?0)(cbscccmbbbmiiuer

13、idtdileridtdil以上兩式構(gòu)成了無刷直流電動機(jī)的線電壓模型 49 為了簡化分析，假設(shè)不考慮開關(guān)器件動作的過渡過程，并忽略電樞繞組的電感。這樣，無刷直流電動機(jī)的電壓方程可以簡化為： 22stauueri式中ut開關(guān)器件的管壓降；ia 電樞電流； e 線電動勢，即電機(jī)的反電動勢。 50對于無刷直流電動機(jī)，任一時刻都有兩相繞組導(dǎo)通，故電機(jī)的反電動勢為 2215meipweencn式中ce 電機(jī)的電動勢常數(shù)， iepwc152 reuuitsa22在任一時刻，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩由兩相繞組的合成磁場和轉(zhuǎn)子磁場相互作用產(chǎn)生，則 42m aaeataipwe ieitici51eatscriuun22

14、pwuupwuucuuntsiitsets25 . 7152220ieepwcnek152aitaetipwcitk45222222stasteeeetuuriuurntcccc機(jī)械特性曲線 為 ruucictttsttst2253調(diào)節(jié)特性 調(diào)節(jié)特性的始動電壓和斜率分別為tteucrtu220eck154 磁敏式位置傳感器 霍爾元件 電磁式位置信感器 高頻線圈 光電式位置信感器 光耦合器件55置于磁場中的載流體，如果電流方向與磁場垂直，則在垂直于電流和磁場的方向會產(chǎn)生一附加的橫向電場，這個現(xiàn)象是霍普金斯大學(xué)研究生霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)的，后被稱為?；魻柶骷曰魻栃?yīng)為其工作基礎(chǔ)，是一種磁傳感器。

15、可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關(guān)的場合中使用?；魻杺鞲衅髦饕袃纱箢悾活悶?，一類為線性霍爾器件。56hall ic霍爾元件磁電轉(zhuǎn)換hall ic霍爾元件功能方框圖57第一種方式：將霍爾元件粘貼于電機(jī)端蓋內(nèi)表面，靠近霍爾元件并與之有一小間隙處，安裝著與電機(jī)軸同軸的永磁體。第二種方式：直接將霍爾元件敷貼在定子電樞鐵心氣隙表面或繞組端部緊靠鐵心處，利用電機(jī)轉(zhuǎn)子上的稀土磁體主極作為傳感器的水滋體，根據(jù)霍爾元件的輸出信號即可判斷轉(zhuǎn)子磁極的位置，將信號放大處理后便可驅(qū)動逆變器工作。581、三個霍爾元件在空間依次相差120o電角度2、傳感器磁極與轉(zhuǎn)子磁極同軸旋轉(zhuǎn)、極數(shù)相等、極性相對應(yīng)59的定子由磁

16、芯、高頻激磁繞組和輸出繞組組成，轉(zhuǎn)子由扇形磁芯和非導(dǎo)磁襯套組成定、轉(zhuǎn)子磁芯均由高頻導(dǎo)磁材料(如軟磁鐵氧體)制成。電機(jī)運(yùn)行時，輸入繞組中通以高頻激磁電流，當(dāng)轉(zhuǎn)子扇形磁芯處在輸出繞組下面時，輸入和輸出繞組通過定、轉(zhuǎn)子磁芯耦臺，輸出繞組中則感應(yīng)出高頻信號，經(jīng)濾波整形和邏輯處理后，即可控制逆變器開關(guān)管。60電磁式傳感器具有較高的強(qiáng)度，可經(jīng)受較大的振動沖擊，故多用于航空航天領(lǐng)域。電磁式位置傳感器輸出信號較大，一般不需要經(jīng)過放大便可直接驅(qū)動開關(guān)管，但因輸出電壓是交流，必須先整流。傳感器過于笨重復(fù)雜，因而大大限制了其在普通條件下的應(yīng)用。61(a) 光電傳感器電路原理圖 (b) 4極電機(jī)所用的遮光盤 對于無刷

17、直流電動機(jī)，三個光電開關(guān)在空間依次相差120電角度，光電開關(guān)與電樞繞組的相對位置以及遮光盤與轉(zhuǎn)子磁極的相對位置類似于霍爾位置傳感器。 是由裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子上的遮光盤和固定不動的光電開關(guān)組成的，其原理如圖 (a)所示。遮光盤上開有180電角度的扇形開口，扇形開口的數(shù)目等于無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的極對數(shù)，4極電機(jī)所用遮光盤如圖 (b)所示；光電開關(guān)通常采用將發(fā)光二極管和光敏三極管封裝在一起的光斷續(xù)器。 控制電機(jī)總結(jié)控制電機(jī)總結(jié)步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)自整角機(jī)自整角機(jī)測速發(fā)電機(jī)測速發(fā)電機(jī) 直流直流 交流交流伺服電動機(jī)伺服電動機(jī) 直流直流 交流交流無刷直流電動機(jī)無刷直流電動機(jī)大作業(yè)要求大作業(yè)要求題目：控制電機(jī)分析

18、內(nèi)容：1、概述 2、結(jié)構(gòu)、工作原理 3、運(yùn)行方式（控制方式） 4、應(yīng)用舉例頁數(shù)要求：至少8頁（a4）格式要求：1、封皮 2、目錄 3、正文 4、參考文獻(xiàn)目錄標(biāo)題“目錄”（三號、黑體、居中）章標(biāo)題（四號、黑體、居左）節(jié)標(biāo)題（小四、宋體）頁碼（小四、宋體）正文章標(biāo)題（三號、黑體、居中）節(jié)標(biāo)題（四號、黑體、居左）正文（小四號、宋體） 電樞電樞繞組繞組在磁場中轉(zhuǎn)動在磁場中轉(zhuǎn)動產(chǎn)生感應(yīng)電勢，經(jīng)換向器變產(chǎn)生感應(yīng)電勢，經(jīng)換向器變換后，輸出與轉(zhuǎn)速成正比的換后，輸出與轉(zhuǎn)速成正比的直流電壓。直流電壓。blve2工作原理1 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī) 直流測速發(fā)電機(jī)原理電路nknceeea 電壓平衡方程式電壓平衡方程式 aaaarieu1 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī))/1/( )/1/(laelaaarrncrreu直流測速發(fā)電機(jī)輸出特性直流測速發(fā)電機(jī)輸出特性 不同負(fù)載時的理想輸出特性1 直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī)工作原理工作原理勵磁繞組 輸出繞組 空心杯形轉(zhuǎn)子感應(yīng)測速發(fā)電機(jī)工作原理2 交流測速發(fā)電機(jī)交流測速發(fā)電機(jī)工作原理工作原理實質(zhì)：他勵電動機(jī)電樞繞組和勵磁繞組，電樞電壓ua與勵磁電壓uf彼此無關(guān)。3 直流伺服電動機(jī)直流伺服電動機(jī)控制方式控制方式eetaeaateeaaatccrcu