《無刷直流電動機》PPT課件

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1、溫故知新溫故知新1、直流伺服電動機工作原理，換向器和電刷的作用？（P35）2、交流同步伺服電動機工作原理（P54）直流伺服電機 交流伺服電機 Brushless DC Motors(BLDCMs)47.1.1 概述及基本組成 無刷：克服傳統直流電動機機械換向方式缺點無刷：克服傳統直流電動機機械換向方式缺點優點：調速性能好，體積小質量輕，效率高，轉優點：調速性能好，體積小質量輕，效率高，轉動慣量小，無勵磁損耗動慣量小，無勵磁損耗應用領域：航空航天，機器人，數控機床等精密應用領域：航空航天，機器人，數控機床等精密傳動領域傳動領域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 電機

2、本體電機本體 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 無刷直流電機構成框圖6 定定子子 永永磁磁轉轉子子 傳傳感感器器定定子子 傳傳感感器器轉轉子子(a)結構示意圖(b)定轉子實際結構 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 環形磁極 內 8實際電機 外外轉轉子子 繞繞組組 永永磁磁體體 內內定定子子 結構示意圖 9作用：控制電機定子各相繞組通電順序和時間。作用：控制電機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）10 US

3、 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)星形聯結三相橋式主電路 US VD1 VD4 VT1 VT4 VD5 VD2 VT3 VT6 VD3 VD6 VT5 VT2 A B C 12d)三角形聯結三相橋式主電路 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：三相繞組優于四相、五相繞組轉矩脈動：相數越多，轉矩脈動越小電路成本：相數越多，電路成本越高星形聯接三相橋式主電路應用最多位置傳感器：實時檢測轉子位置15位置傳感

4、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式正余弦變壓器編碼器反電動勢檢測續流二極管工作狀態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 數字控制系統 分立元件加少量集成電路構成的模擬控制系統 基于專用集成電路的控制系統 數?；旌峡刂葡到y 全數字控制系統 是無刷直流電動機正常運行并實現各種調速伺服 功能的指揮中心 17：無刷直流電動機正常運行并實現各種調：無刷直流電動機正常運行并實現各種調速伺服功能的指揮中心速伺服功能的指揮中心：實時檢測轉子位置：實時檢測轉子位置：控制電機定子各相繞組通電順序和時間：控制電機定子各相繞組通電順序和時間18永磁無刷直流永磁無刷直流電

5、機系統圖電機系統圖控制電路對轉子位置傳感器檢測的信號進行邏輯變換后產生脈寬調制PWM信號，經過驅動電路放大送至逆變器各功率開關管，從而控制電動機各相繞組按一定順序工作，在電機氣隙中產生跳躍式旋轉磁場。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相導通I:E+-A-B-E-電機順時針旋轉磁極轉過60o圖示位置位置信號邏輯變換V1、V2 開通 A、C相導通I:E+-A-C-E-電機順時針旋轉轉子每轉過60o，逆變器開關管換流一次、定子磁狀態改變一次，電機有6個磁狀態，三相各導通120o轉子磁場順時針連續旋轉、定子磁場隔60O跳躍旋轉20兩相導通星形三相六狀態時繞組和開關管

6、導通順序表兩相導通星形三相六狀態時繞組和開關管導通順序表21無刷直流電動機回顧無刷直流電動機回顧1、系統組成及各部分作用、系統組成及各部分作用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 旋轉磁場在360電角度范圍內有三種磁狀態，每種磁狀態持續120電角度。我們把這種工作方式叫做單相導通星形

7、三相三狀態三相三狀態。24三相三狀態BLDCM 原理傳感器：H1=1 H2=0 H3=1導通相：B25傳感器：H1=1 H2=0 H3=0導通相：B26傳感器：H1=1 H2=1 H3=0導通相：C27傳感器：H1=0 H2=1 H3=0導通相：C28傳感器：H1=0 H2=1 H3=1導通相：A29傳感器：H1=0 H2=0 H3=1導通相：A30傳感器：H1=1 H2=0 H3=1導通相：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管的導通和截止，其控制方式有兩種：。32 電機的瞬時電磁轉矩可由電樞繞組的電磁功

8、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；轉子的機械角速度?？梢?，電磁轉矩取決于反電動勢的大小。在一定的轉速下，如果電流一定，反電動勢越大，轉矩越大。每一瞬間只有兩個功率管導通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相導通I:E+-A-B-E-電機順時針旋轉磁極轉過60o圖示位置位置信號邏輯變換V1、V2 開通 A、C相導通I:E+-A-C-E-電機順時針旋轉轉子每轉過60o，逆變器開關管換流一次、定子磁狀態改變一次，電機有6個磁狀態，三相各導通120o轉子磁場順時針連續旋轉

9、、定子磁場隔60O跳躍旋轉34兩相導通星形三相六狀態時繞組和開關管導通順序表兩相導通星形三相六狀態時繞組和開關管導通順序表35三相繞組的反電動勢波形及其二二導通方式下的導通規律三相繞組的反電動勢波形及其二二導通方式下的導通規律 每一瞬間有三個功率管同時導通37 三相繞組的反電動勢波形及其三三導通方式下的導通規律 38電動機負載時電樞繞組產生的磁場對主磁場的影響稱為電樞反應。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 Faq Fad II 可見，在一個磁狀態范圍內，電樞磁動勢在剛開

10、始為最大去磁，然后去磁磁動勢逐漸減??；在1/2磁狀態時既不去磁也不增磁；在后半個磁狀態內增磁逐漸增大，最后達到最大值。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每相繞組的串聯匝數；Kw繞組系數。41無刷直流電機的磁場、電勢、電流波形42 假設(1)電動機的氣隙磁感應強度在空間呈梯形(近似為方波)分布；(2)定子齒槽的影響忽略不計；(3)電樞反應對氣隙磁通的影響忽略不計；(4)忽略電機中的磁滯和渦流損耗；(5)三相繞組完全對稱。直接利用電動機本身的相變量來建立數學模型

11、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+-+-+-ia ib ic r LM eb A B C 46 無刷直流電動機氣隙磁密及反電動勢波形如

12、下圖所示 47設電樞繞組導體的有效長度為La，導體的線速度為v，則單根導體在氣隙磁場中感應的電動勢為(V)vLBea60260npnDv(m/s)如電樞繞組每相串聯匝數為W，則每相繞組的感應電動勢幅值為 nCnpWeWEeim152aiLB48 依據基爾霍夫定律，可得換相過程中的電路方程為()0()0acMaaMccbcMbbMccSabcdidiLrieLriedtdtdidiLrieLrieUdtdtiii續流結束后，換相完成，電路方程變為：0)(cbScccMbbbMiiUeridtdiLeridtdiL以上兩式構成了無刷直流電動機的線電壓模型 49 為了簡化分析，假設不考慮開關器件動作

13、的過渡過程，并忽略電樞繞組的電感。這樣，無刷直流電動機的電壓方程可以簡化為：22STaUUErI式中UT開關器件的管壓降；Ia 電樞電流；E 線電動勢，即電機的反電動勢。50對于無刷直流電動機，任一時刻都有兩相繞組導通，故電機的反電動勢為 2215meipWEEnCn式中Ce 電機的電動勢常數，iepWC152 rEUUITSa22在任一時刻，電機的電磁轉矩由兩相繞組的合成磁場和轉子磁場相互作用產生，則 42m aaeaTaipWE IEITICI51eaTSCrIUUn22pWUUpWUUCUUnTSiiTSeTS25.7152220ieepWCnEK152aiTaeTIpWCITK4522

14、2222STaSTeeeeTUUrIUUrnTCCCC機械特性曲線 為 rUUCICTTTstTst2253調節特性 調節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生一附加的橫向電場，這個現象是霍普金斯大學研究生霍爾于1879年發現的，后被稱為?；魻柶骷曰魻栃獮槠涔ぷ骰A，是一種磁傳感器?？梢詸z測磁場及其變化，可在各種與磁場有關的場合中使用?；魻杺鞲衅髦饕袃纱箢?，一類為，一類為線性霍爾器件。56Hall IC

15、霍爾元件磁電轉換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端蓋內表面，靠近霍爾元件并與之有一小間隙處，安裝著與電機軸同軸的永磁體。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，利用電機轉子上的稀土磁體主極作為傳感器的水滋體，根據霍爾元件的輸出信號即可判斷轉子磁極的位置，將信號放大處理后便可驅動逆變器工作。581、三個霍爾元件在空間依次相差120o電角度2、傳感器磁極與轉子磁極同軸旋轉、極數相等、極性相對應59的定子由磁芯、高頻激磁繞組和輸出繞組組成，轉子由扇形磁芯和非導磁襯套組成定、轉子磁芯均由高頻導磁材料(如軟磁鐵氧體)制成。電機運行時，

16、輸入繞組中通以高頻激磁電流，當轉子扇形磁芯處在輸出繞組下面時，輸入和輸出繞組通過定、轉子磁芯耦臺，輸出繞組中則感應出高頻信號，經濾波整形和邏輯處理后，即可控制逆變器開關管。60電磁式傳感器具有較高的強度，可經受較大的振動沖擊，故多用于航空航天領域。電磁式位置傳感器輸出信號較大，一般不需要經過放大便可直接驅動開關管，但因輸出電壓是交流，必須先整流。傳感器過于笨重復雜，因而大大限制了其在普通條件下的應用。61(a)光電傳感器電路原理圖 (b)4極電機所用的遮光盤 對于無刷直流電動機，三個光電開關在空間依次相差120電角度，光電開關與電樞繞組的相對位置以及遮光盤與轉子磁極的相對位置類似于霍爾位置傳感

17、器。是由裝在電機轉子上的遮光盤和固定不動的光電開關組成的，其原理如圖(a)所示。遮光盤上開有180電角度的扇形開口，扇形開口的數目等于無刷直流電動機轉子磁極的極對數，4極電機所用遮光盤如圖(b)所示；光電開關通常采用將發光二極管和光敏三極管封裝在一起的光斷續器?？刂齐姍C總結控制電機總結步進電機步進電機自整角機自整角機測速發電機測速發電機 直流直流 交流交流伺服電動機伺服電動機 直流直流 交流交流無刷直流電動機無刷直流電動機大作業要求大作業要求題目：控制電機分析內容：1、概述 2、結構、工作原理 3、運行方式（控制方式）4、應用舉例頁數要求：至少8頁（A4）格式要求：1、封皮 2、目錄 3、正文

18、 4、參考文獻目錄標題“目錄”（三號、黑體、居中）章標題（四號、黑體、居左）節標題（小四、宋體）頁碼（小四、宋體）正文章標題（三號、黑體、居中）節標題（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動在磁場中轉動產生感應電勢，經換向器變產生感應電勢，經換向器變換后，輸出與轉速成正比的換后，輸出與轉速成正比的直流電壓。直流電壓。BLve2工作原理1 直流測速發電機直流測速發電機 直流測速發電機原理電路nKnCEeea 電壓平衡方程式電壓平衡方程式 aaaaRIEU1 直流測速發電機直流測速發電機)/1/()/1/(LaeLaaaRRnCRREU直流測速發電機輸出特性直流測速發電

19、機輸出特性 不同負載時的理想輸出特性1 直流測速發電機直流測速發電機工作原理工作原理勵磁繞組 輸出繞組 空心杯形轉子感應測速發電機工作原理2 交流測速發電機交流測速發電機工作原理工作原理實質：他勵電動機電樞繞組和勵磁繞組，電樞電壓Ua與勵磁電壓Uf彼此無關。3 直流伺服電動機直流伺服電動機控制方式控制方式eetaeaateeaaaTCCRCUnICTCRIUn2電樞控制磁極控制3 直流伺服電動機直流伺服電動機定子：勵磁繞組和控制繞組。定子：勵磁繞組和控制繞組。結構和工作原理結構和工作原理4 交流伺服電動機交流伺服電動機c1c2f1f2放放大大器器檢檢測測元元件件2U2I+U+控制繞組控制繞組勵

20、磁繞組勵磁繞組UCU1I1U+幅值控制幅值控制 相位控制相位控制4 交流伺服電動機交流伺服電動機 控制方式控制方式5 步進電動機步進電動機步進電動機步進電動機輸入：脈沖電信號輸入：脈沖電信號輸出：階躍的角位移或線位移輸出：階躍的角位移或線位移分類分類工作方式：工作方式：功率步進電動機，伺服步進電動機功率步進電動機，伺服步進電動機勵磁方式：勵磁方式：反應式反應式、永磁式永磁式、混合式混合式工作原理工作原理定子有八個極，構成四相；轉子六個齒。定子有八個極，構成四相；轉子六個齒。（a）A相通電（b）C相通電（c）B相通電（d）D相通電經過經過A C B D一個通電循環轉子轉過一個通電循環轉子轉過605 步進電動機步進電動機運行方式運行方式 四相八拍運行四相八拍運行 四相雙四拍運行四相雙四拍運行 四相單四拍運行四相單四拍運行通電方式為通電方式為AACCCBBBDDDA。通電方式為通電方式為ACCBBDDA通電方式為通電方式為ACBD5 步進電動機步進電動機6 力矩式自整角機力矩式自整角機工作原理工作原理圖 力矩式自整角機的原理圖)cos1(B垂直方向磁場fisinB水平方向磁場21