永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)

永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)

PermanentMagnetBrushlessDCMotors(PMBLDCMs)三相三狀態(tài)BLDCM原理傳感器：H1=1H2=0H3=1導(dǎo)通相：B傳感器：H1=1H2=0H3=0導(dǎo)通相：B傳感器：H1=1H2=1H3=0導(dǎo)通相：C傳感器：H1=0H2=1H3=0導(dǎo)通相：C傳感器：H1=0H2=1H3=1導(dǎo)通相：A傳感器：H1=0H2=0H3=1導(dǎo)通相：A傳感器：H1=1H2=0H3=1導(dǎo)通相：B1基本結(jié)構(gòu)與工作原理電動(dòng)機(jī)控制器直流電源位置傳感器輸出無刷直流電機(jī)構(gòu)成框圖1-1基本原理永磁無刷直流電機(jī)系統(tǒng)圖控制電路對(duì)轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行邏輯變換后產(chǎn)生脈寬調(diào)制PWM信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路放大送至逆變器各功率開關(guān)管，從而控制電動(dòng)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(chǎng)。工作原理磁極圖示位置→位置信號(hào)→邏輯變換→V1、V6開通→A、B相導(dǎo)通→I:E+-A-B-E-→電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)磁極轉(zhuǎn)過60o圖示位置→位置信號(hào)→邏輯變換→V1、V2開通→A、C相導(dǎo)通→I:E+-A-C-E-→電機(jī)順時(shí)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(gè)磁狀態(tài)，三相各導(dǎo)通120o——兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)順時(shí)針連續(xù)旋轉(zhuǎn)、定子磁場(chǎng)隔60O跳躍旋轉(zhuǎn)——自同步電機(jī)兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)時(shí)繞組和開關(guān)管導(dǎo)通順序表1-2基本結(jié)構(gòu)1）電機(jī)本體定子：與普通異步電機(jī)相同，鐵心中嵌三相或多相對(duì)稱繞組轉(zhuǎn)子：永磁結(jié)構(gòu)瓦形（徑向磁化）矩形(切向磁化)環(huán)形(徑向磁化)1——轉(zhuǎn)軸；2——前端蓋；3——螺釘，4——墊片；5——軸承；6——定子；7一轉(zhuǎn)子；8一傳感器轉(zhuǎn)子；9——后端蓋；10——傳感器定子稀土水磁無刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖三相星形三狀態(tài)2)逆變器：最常用的為三相星形六狀態(tài)和三相星形三狀態(tài)三相星形六狀態(tài)3)位置傳感器磁敏式位置傳感器

——霍爾元件電磁式位置信感器

——高頻線圈光電式位置信感器

——光耦合器件置于磁場(chǎng)中的載流體，如果電流方向與磁場(chǎng)垂直，則在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向會(huì)產(chǎn)生一附加的橫向電場(chǎng)，這個(gè)現(xiàn)象是霍普金斯大學(xué)研究生霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)的，后被稱為霍爾效應(yīng)。霍爾器件以霍爾效應(yīng)為其工作基礎(chǔ)，是一種磁傳感器?？梢詸z測(cè)磁場(chǎng)及其變化，可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中使用?；魻杺鞲衅髦饕袃纱箢?，一類為開關(guān)型器件，一類為線性霍爾器件。HallIC安裝方式第一種方式：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(hào)即可判斷轉(zhuǎn)子磁極的位置，將信號(hào)放大處理后便可驅(qū)動(dòng)逆變器工作。HallIC安裝示意圖1、三個(gè)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(duì)應(yīng)電磁式位置傳感器的定子由磁芯、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)滋材料(如軟磁鐵氧體)制成。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，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(shí)，輸入和輸出繞組通過定、轉(zhuǎn)子磁芯耦臺(tái)，輸出繞組中則感應(yīng)出高頻信號(hào)，經(jīng)濾波整形和邏輯處理后，即可控制逆變器開關(guān)管。優(yōu)點(diǎn)1：電磁式傳感器具有較高的強(qiáng)度，可經(jīng)受較大的振動(dòng)沖擊，故多用于航空航天領(lǐng)域。優(yōu)點(diǎn)2：電磁式位置傳感器輸出信號(hào)較大，一般不需要經(jīng)過放大便可直接驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，但因輸出電壓是交流，必須先整流。缺點(diǎn)：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。2三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)基本公式與數(shù)學(xué)模型無刷直流電機(jī)的磁場(chǎng)、電勢(shì)、電流波形方波電動(dòng)機(jī)——梯形波反電勢(shì)與方波電流2-1基本公式(三相六狀態(tài))1．電樞繞組感應(yīng)電勢(shì)單根導(dǎo)體在氣隙磁場(chǎng)中感應(yīng)電勢(shì)e=B

Lv如電樞繞組每相串聯(lián)匝數(shù)為W

，則每相繞組的感應(yīng)電勢(shì)為又因?yàn)樗裕簩?duì)于三相六狀態(tài)電機(jī),線電壓為：結(jié)論無刷直流電機(jī)電動(dòng)勢(shì)公式與直流電機(jī)相似2．電樞電流電壓平衡方程式：電源電壓開關(guān)管的飽和管壓降電阻壓降電樞電流為：3.電磁轉(zhuǎn)矩所以：Tem=CT

Ia結(jié)論無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩公式與直流電機(jī)相似2-2三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型三相繞組的電壓平衡方程為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(dòng)勢(shì)微分算子由于三相繞組對(duì)稱，相間互感相等，故：當(dāng)三相繞組為Y連接，且沒有中線，則：ia+ib+ic=0Mia+Mib=-MicMib+Mic=-MiaMia+Mic=-Mib所以得電壓方程：電磁轉(zhuǎn)矩為：該方程用于計(jì)算BLDCM的動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能2-3BLDCM運(yùn)行特性與特性分析一、電樞反應(yīng)電機(jī)負(fù)載時(shí)電樞磁場(chǎng)對(duì)主磁場(chǎng)的影響稱為電樞反應(yīng)。電摳反應(yīng)與磁路的飽和程度、轉(zhuǎn)向、電摳繞組聯(lián)結(jié)方式、導(dǎo)通順序和磁狀態(tài)角的大小有關(guān)。二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)為例對(duì)電樞反應(yīng)進(jìn)行分析三相六狀態(tài):磁狀態(tài)角

m=60o;在一個(gè)磁狀態(tài)下,兩相繞組磁勢(shì)方向不變，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)去磁助磁起始終止一個(gè)磁狀態(tài)范圍內(nèi)，兩相繞組的磁勢(shì)結(jié)論：在一個(gè)磁狀態(tài)范圍內(nèi)，電樞磁勢(shì)在剛開始為最大去磁，然后逐漸減小，在1/2磁狀態(tài)時(shí)不去磁不增磁，后半個(gè)磁狀態(tài)逐漸增磁并達(dá)到最大值。增磁或去磁的數(shù)值等于電樞合成磁勢(shì)Fa在轉(zhuǎn)子磁極軸線上的投影，其最大值為：相磁勢(shì)：電樞合成磁勢(shì):由于功率開關(guān)管只能單向?qū)?，所以BLDCM反轉(zhuǎn)不能靠通以反向電壓實(shí)現(xiàn)。只有靠控制繞組的導(dǎo)通順序來實(shí)現(xiàn)。換相邏輯轉(zhuǎn)向二、無刷直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)位置傳感器與定子繞組、磁極的相互關(guān)系HallICPMPM正轉(zhuǎn)時(shí)相互位置關(guān)系uha=uhb=1uhc=0AB導(dǎo)通uha=uhc=0uhb=1AC導(dǎo)通正轉(zhuǎn)邏輯反轉(zhuǎn)時(shí)相互位置關(guān)系uhb=uhc=1uha=0BC導(dǎo)通uha=uhc=0uhb=1AC導(dǎo)通反轉(zhuǎn)邏輯正、反轉(zhuǎn)時(shí)開關(guān)管的導(dǎo)通邏輯關(guān)系三、永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性1、機(jī)械特性永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與有刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性的表達(dá)式相同，機(jī)械特性較硬。但由于公式是在忽略電樞繞組電感時(shí)得到的，故與實(shí)際電機(jī)的機(jī)械待性有一定區(qū)別。永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線對(duì)比機(jī)械特性曲線組2、調(diào)節(jié)特性n=f(U)|Tem=C調(diào)節(jié)特性曲線組4BLDCM的換相分析換相前:AC導(dǎo)通V1

A

C

V2換相中：BC通、A續(xù)流V3

B

C

V2A

C

V2

D4

A(A相續(xù)流)換相后：BC通V3

B

C

V24-1換相過程中各相繞組中的電流變化換相過程中，各相繞組的電壓、電流方程：假設(shè)不考慮定子繞組電阻、并令LM=L一M，則上式變?yōu)椋弘姍C(jī)各相繞組具有梯形波反電勢(shì)，其平頂波寬大于120o電角度，幅值大小相等，因而有:相電勢(shì)續(xù)流回路：BC相回路：因星形繞組中ia十ib十ic＝0，則有:續(xù)流回路：BC相回路：所以：換向過程中各相電流變化公式：設(shè)初值和終值為換向前后各相電流的值I，求解該組微分方程得：4-2換相過程的三種情況1）ia與ib變化率相等，即ia降為0的同時(shí),ib達(dá)到穩(wěn)態(tài)值I令ia(tf)=0，可得換相時(shí)間tf為令ib(tf)=I，可得換相時(shí)間tf為所以：U=4E

上式反應(yīng)了在該換相條件下，外加電壓與電機(jī)繞組反電勢(shì)，也即轉(zhuǎn)速之間的相應(yīng)關(guān)系情況1特點(diǎn)：換相電流同時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)情況1條件：U=4E

換相電流變化曲線換相電流變化曲線2）ia降為零時(shí)，ib還未達(dá)到穩(wěn)態(tài)值I令ia(tf

)＝0，得ia降為零的時(shí)間tf

此時(shí)所以情況2發(fā)生的條件：U<4E

3）ib達(dá)到穩(wěn)態(tài)值I時(shí)，ia還未降為零換相電流變化曲線發(fā)生條件：U>4E

4-3不同換相過程中轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)換相過程中的電磁轉(zhuǎn)矩：因ia十ib十ic＝0，則有:換向期間電磁轉(zhuǎn)矩與非換向相繞組中的電流成正比對(duì)于情形①：U＝4E

,T保持恒定對(duì)于情形②：U<4E

,T減少對(duì)于情形②：U>4E

,T增加在非換向時(shí)，即每個(gè)導(dǎo)通狀態(tài)內(nèi)，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為當(dāng)U<4E

時(shí)：換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為：當(dāng)U>4E

時(shí)：換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為:結(jié)論1、換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)決定于繞組反電勢(shì)，也就是電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而與電樞穩(wěn)態(tài)電流無關(guān)。2、當(dāng)轉(zhuǎn)速很低或堵轉(zhuǎn)時(shí)，E

0,T＝50％；3、當(dāng)轉(zhuǎn)速很高時(shí)，U＝2E

,T=-50％；4、當(dāng)轉(zhuǎn)速滿足時(shí)，U＝4E

,T=0。5

永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制器控制器是無刷直流電動(dòng)機(jī)的三大組成部分之一，它主要包括開關(guān)主電路(即逆變器)、驅(qū)動(dòng)電路和控制電路。5-1開關(guān)主電路對(duì)于單相交流電源供電、電機(jī)采用三相電樞繞組時(shí)，典型的開關(guān)主電路通常由整流電路、濾波電路、緩沖電路和逆變電路構(gòu)成整流電路由變壓器TR1和整流橋BRl組成,將交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源濾波電路實(shí)現(xiàn)直流電源的低通濾波，形成低內(nèi)阻硬持性直流電壓源，同時(shí)與繞組感性負(fù)載交換無功功率，其功能由大電容C2實(shí)現(xiàn)緩沖電路是為減少開關(guān)管承受的尖峰電壓。由R3、C3、D7組成RDC緩沖電路。緩沖電容C3應(yīng)選用高頻特性好的無感電容，D7應(yīng)選擇過渡正向電壓低、反向恢復(fù)時(shí)間短的快速恢復(fù)二極管。逆變電路：功率開關(guān)管T1~T6、續(xù)流二極管D1~D6功率開關(guān)管Tl~T6通常為GTR、功率MOSFET、IGBT、GTO以及MCT等功率電子器件，也可以為功率集成電路PIC或智能功率模塊IPM5-2驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路將控制電路的輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大，并向各開關(guān)管送去能使其飽和導(dǎo)通和可靠關(guān)斷的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。驅(qū)動(dòng)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(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)的正常工作。開關(guān)管的種類不同，對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的要求也不同，因而對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路也不同。常見集成驅(qū)動(dòng)電路5-3控制電路控制電路是無刷直流電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行并實(shí)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：1)對(duì)轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號(hào)、PWM調(diào)制信號(hào)、正反轉(zhuǎn)和停車信號(hào)進(jìn)行邏輯綜合,給驅(qū)動(dòng)電路提供各開關(guān)管的斬波和選通信號(hào),實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及停車控制。2)產(chǎn)生PWM調(diào)制信號(hào)，使電機(jī)的電壓隨給定速度信號(hào)而自動(dòng)變化，實(shí)現(xiàn)電機(jī)開環(huán)調(diào)速。3)對(duì)電動(dòng)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(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。4)實(shí)現(xiàn)短路、過流和欠壓等故障保護(hù)功能等?？刂齐娐返男问?1、分立元件全模擬電路——經(jīng)濟(jì)型2、專用集成控制電路——規(guī)?；?、專用3、數(shù)?；旌峡刂齐娐贰霐?shù)字化(PID)4、全數(shù)字控制電路——高性能(MCUDSP)eg1:以8098單片機(jī)為核心的數(shù)字式控制電路輸入信號(hào)：轉(zhuǎn)子位置傳感器送來的VA、VB、VC，正反轉(zhuǎn)及停車信號(hào)ZZ、FZ、STOP，過流信號(hào)IP及調(diào)速信號(hào)P0.4。輸出至驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)為UGl一UG6和PWM斬波信號(hào)。單片機(jī)8098、鎖存器74LS373和片外程序存儲(chǔ)器27128(EPROM)組成8098單片機(jī)最小系統(tǒng)。兩片可編程邏輯器件GAL16V8實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的邏輯綜合。8098單片機(jī)通過軟件實(shí)現(xiàn)PWM斬波信號(hào)輸出、最佳起動(dòng)過程，通過對(duì)位置傳感器的信號(hào)計(jì)算測(cè)量轉(zhuǎn)速、實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)和電流閉環(huán)的PID控制等功能。以8098單片機(jī)為核心的系統(tǒng)簡(jiǎn)介：eg2:實(shí)用型控制器實(shí)用型控制器介紹1)開關(guān)主電路電源電壓48VDC，經(jīng)LC濾波電路輸出穩(wěn)定的48V電壓。采用三相橋式逆變器，工作方式為120o導(dǎo)通型星形三相六狀態(tài)。功率開關(guān)管T1~T6選用高速型MOSFET器件IR540，D1~D6為續(xù)流二極管。采用一個(gè)整體型RCD緩沖電路。2)驅(qū)動(dòng)電路采用IR公司的6單元驅(qū)動(dòng)集成電路IR2130，該電路采用上橋臂自舉電容工作，驅(qū)動(dòng)6個(gè)單元僅用一路10-20V電源。輸入信號(hào)可與TTL、M