永磁无刷直流电机电机控制课件.ppt

1、 永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机原理永磁无刷直流电机原理深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院直流电源逆变器电机本体输出控制信号控制器位置检测器控制系统组成简图磁极静止，电枢旋转f=IBla，这个力形成电磁转矩根据左手定则，线圈在这个转矩作用下将按逆时针方向旋转当载流导体转过180度后，借助电刷-换向片改变导体中电流方向永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院二、无刷直流电动机的工作原理传统直流电动机的工作原理电枢磁极换向片永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通

2、学院深圳大学轨道交通学院直流电动机内部电磁过程的特点总结p 定子侧为静止的主极励磁磁势；p 转子(电枢）侧由外部电刷的直流电源供电，内部绕组电流以及感应的电势为交流。由换向器和电刷完成上述逆变过程的转换；p 电刷是电枢电流的分界线，其位置决定了转子电枢电流的换流时刻。因此，电刷与换向片配合起到了检测转子位置的作用；p 尽管转子在不停的旋转，但由于电刷相对主极静止不动，因此，电枢磁势与主极磁势相对静止；p 电枢磁势与主极磁势空间互相垂直，确保了直流电动机可以产生最大的电磁转矩；永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院直流电动机的不足 电刷的磨损与维护；机械式换向火

3、花，限制了应用场合；难以实现高速运行；解决措施：解决措施：要点总结 电刷和换向器起到了与转子位置有关的机械式逆变器作用；定子侧的直流励磁磁势和转子电枢磁势两者相对静止且相互垂直；u通过电力电子式逆变器电力电子式逆变器完成直流到交流的转换；u通过转子位置传感器转子位置传感器检测转子位置，完成换向片与电刷的作用，以决定换流时刻；u考虑到实现的方便性，定、转子位置颠倒，组成反装式直流反装式直流电动机电动机。永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院定子磁极，采用定子磁极，采用集中绕组集中绕组转子磁极转子磁极转子位转子位置检测置检测驱动电路，逆驱动电路，逆变器组成变器组成

4、电子电子开关开关机电一体化产品机电一体化产品无刷直流电动机原理无刷直流电动机原理电机本体电机本体电机本体电机本体转子位置检测转子位置检测电子开关电子开关永磁无刷直流电动机的原理框图直流电源电子开关电动机位置传感器 输出永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院定子绕组采用整距、集中绕组永磁体粘接至转子表面，呈隐极式结构电动机本体永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院21(a)永磁转子结构型式(a)表面贴装式；(b)内嵌式.1磁钢；2铁心 2 21 1(b)逆变器结构星形三相三状态星形三相六状态永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大

5、学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院星形四相四状态封闭三相六状态 正交两相四状态封闭四相四状态永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院转子位置传感器(1)磁敏式位置传感器霍尔元件永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院功放霍尔元件放大输出CCUOU外形电路原理开关特性霍尔集成电路永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院(2)电磁式位置传感器永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院高频励磁输入输出绕组转子磁心定子磁心永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳

6、大学轨道交通学院输出信号1D1RP1V2R2V0U(3)光电式位置传感器遮光盘一相导通星形三相三状态1）H1受光，V1导通，A相流过电流，产生磁势Fa。电流路径：电源正极A相绕组V1管电源负极。2）电机顺时针转过120度后，H1被遮光，H2受光，V1关断，V2导通，B相绕组通入电流，产生磁势Fb。3）再转过120度，C相导通。永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院fFfFfFfFfFaFaFaFaFA相通电相通电B相通电相通电C相通电相通电A相通电相通电上述过程可以看成按一定顺序换相通上述

7、过程可以看成按一定顺序换相通电的过程，或者磁场旋转的过程，定电的过程，或者磁场旋转的过程，定子各相绕组在气隙中所形成的旋转磁子各相绕组在气隙中所形成的旋转磁场是跳跃运动的，一周内有三种状态，场是跳跃运动的，一周内有三种状态，每种磁场状态持续每种磁场状态持续120，他们跟踪，他们跟踪转子并与转子的磁场相互作用，产生转子并与转子的磁场相互作用，产生驱使转子旋转的电磁转矩。驱使转子旋转的电磁转矩。aF15030 转子每转过120度，功率管换流一次，定子磁场状态就改变一次，电机有三个磁状态。每个功率管导通120度（1/3周期）。磁场为跳跃式步进磁场。因此，所产生的电磁转矩为脉动转矩。减小转矩脉动的方法

8、是增加一周内的磁状态数，如二相导通六状态。永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院fFfFfFfFfFaFaFaFaFA相通电相通电B相通电相通电C相通电相通电A相通电相通电aF15030二相导通星形六状态61()TT、12()TT、56()TT、23()TT、34()TT、45()TT、永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院 每隔60换流一次;任何瞬时有两只开关器件同时导通；每个开关器件导通 120 0120060060永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院600120060永磁无刷直流电机永

9、磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院61()TT、12()TT、56()TT、23()TT、34()TT、45()TT、0120060永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院61()TT、12()TT、56()TT、23()TT、34()TT、45()TT、0120060永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院61()TT、12()TT、56()TT、23()TT、34()TT、45()TT、0120060永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院61()TT、12()TT、56()

10、TT、23()TT、34()TT、45()TT、0120060永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院61()TT、12()TT、56()TT、23()TT、34()TT、45()TT、0120aF 由此绘出一个周期内定子三相绕组在不同时刻三相电流所产生的定子合成磁势与转子永磁磁势之间的关系如图所示。r 在一个周期内三相定子绕组在空间共产生六个定子合成磁势；r 转子每转过 电角度，定子绕组则换流一次，相应的定子合成磁势就跳变一次。每个定子合成磁势在时间上持续1/6周期（电角度）；r 在这六个连续跳变的定子合成磁势作用下，转子永磁磁势随转子旋转；r 尽管定子合成磁

11、势是跳变的，但其平均转速却与转子转速保持同尽管定子合成磁势是跳变的，但其平均转速却与转子转速保持同步，亦即在平均意义上步，亦即在平均意义上 与与 相对静止相对静止。从而保证了有效电磁转矩的产生，而且转子转速为同步速。r 电枢磁势在与转子磁极轴线垂直的电枢磁势在与转子磁极轴线垂直的 电角度范围内变化，亦电角度范围内变化，亦即使两者之间的夹角在即使两者之间的夹角在 范围内变化。范围内变化。这样，这样，无论是在开无论是在开关器件导通过程中还是在换流瞬间，关器件导通过程中还是在换流瞬间，与与 之间的夹角在平均意之间的夹角在平均意义上接近义上接近 ，亦即在平均意义上互相垂直。，亦即在平均意义上互相垂直。

12、结论：结论：fFfF906 0906 060120120永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院三相六状态绕组与开关管导通顺序表120导通型导通型180永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院永磁无刷直流电动机逆变器的各种控制方式u“导通型”（两两导通控制方式）；u“导通型”（三三导通控制方式）；u“导通型”（两三轮流导通控制方式）；15060180A.三三导通控制方式(又称为 导通型)60开关规律：开关规律：612()T T T、123()T T T、561()T T T、234()T T T、345()T T T、456()T

13、 T T、每隔每隔 换流一次；换流一次；任何瞬时有三只开关器件同时导通；任何瞬时有三只开关器件同时导通；每个开关器件导通每个开关器件导通 。永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院180相应的定子合成磁势的空间矢量为：1 5 0图10.20 无刷直流电动机的定子合成磁势(导通型)30永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院B.两三导通控制方式(又称为 导通型)u每隔每隔 换流一次；换流一次；u任何瞬时有三只开关器件同时导通，然后变为两只开关器任何瞬时有三只开关器件同时导通，然后变为两只开关器件同时导通，再变回三只开关器件同时导通，

14、件同时导通，再变回三只开关器件同时导通，；u每个开关器件导通每个开关器件导通150150。)(165TTT、)(16TT、)(216TTT、)(21TT、)(321TTT、)(32TT、)(432TTT、)(43TT、)(543TTT、)(54TT、)(654TTT、)(65TT、开关规律：开关规律：即：150永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院换向 信号 逻辑 变换 电路 转子位置 译码电路功率开关电路 保 护 电 路 控 制 电 路控制电路部分 控制指令 电子换向电路部分转子位置传感器永磁电机本体电动机部分图10.21 无刷直流电动机的定子合成磁势(导通

15、型)相应的定子合成磁势的空间矢量为：相应的定子合成磁势的空间矢量为：永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院永磁无刷直流电动机的调速永磁无刷直流电动机的调速 改变逆变器直流侧的输入电压实现调压,并利用来自位置传感器的转子信息控制逆变器的频率，调节转子转速；保持逆变器直流侧输入电压不变，利用来自转子位置传感器的转子信息和PWM斩波控制同时调节逆变器的频率和电压，调节转子转速。永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院ZAXBYCnNS采用采用PWM电压和电流控制方

16、式电压和电流控制方式永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院单片机控制永磁无刷直流电动机原理图 2.正、反转控制有刷电机：改变励磁磁场的极性或电枢电压的极性。无刷电机：原理相同，但因功率管的单向导电性，不能靠简单地改变电源电压极性使电机反转，而是通过改变绕组的通电顺序来改变电机转向。永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院二相导通方式传感器信号与功率管开关导通逻辑关系二相导通方式传感器信号与功率管开关导通逻辑关系正转反转H1H2H3导通管H1H2H3导通管10

17、1V1V2101V4V5100V2V3001V3V4110V3V4011V2V3010V4V5010V1V2011V5V6110V6V1001V6V1100V5V6永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院01202.无位置传感器控制无位置传感器控制 无位置传感器控制是指无机械式位置传感器，即不在无刷直流电动机的定子上直接安装位置传感器来检测转子位置,而是通过一个检测电路，从硬件和软件两方面来间接获取转子位置信号。检测得到转子位置信号以后的控制方法，与有位置感器控制方法相同。永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院永磁无刷直流电机永

18、磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院无刷电机专用驱动电路MC33035永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院无刷电机专用驱动电路MC33035永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院无刷电机专用驱动电路TDA1621LM621的原理框图的原理框图LM621的换相译码真值表的换相译码真值表永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院无刷电机专用驱动电路TDA1621永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院无位置传感器无刷电机专用驱动芯片无位置传感器无刷电

19、机专用驱动芯片TDA5142T永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院永磁无刷直流电动机调速系统的组成无刷直流电动机采用PWM反馈控制方式的闭环调速系统永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院永磁同步电动机的分类正弦波永磁同步电动机方波永磁同步电动机PMSM permanent magnetic synchronous motor BLDCM brushless direct-current motor永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大

20、学轨道交通学院永磁同步电动机的优缺点：功率密度高 转子的转动惯量小 运行效率高 转轴上无滑环和电刷 转子励磁无法灵活控制 永磁体存在失磁现象 转子磁势受环境温度影响 滞后定子功率因数永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院正弦波永磁同步电动机的结构正弦波永磁同步电动机的结构定子三相绕组采用正弦绕组三相逆变器提供定子绕组的三相对称电流产生旋转磁场光电式编码器或旋转变压器永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院 定子三相绕组采用正弦绕组;由三相逆变器提供定子绕组的三相对称电流产生旋转磁场,拖动永磁转子同步旋转;定子绕组的通电频率以及由

21、此产生的旋转磁场转速取决于转子的实际位置和转速;转子的实际位置和转速由光电式编码器或旋转变压器获得;正弦波正弦波PMSM属于自控式、无刷结构同步电动机属于自控式、无刷结构同步电动机永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院NoImage一种典型的正弦波永磁同步电动机调速系统框图 正弦波PMSM调速系统的组成永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院 定子绕组采用整距、集中绕组；永磁体粘接至转子表面，呈隐极式结构；永磁无刷直流电动机结构特点：永磁无刷直流电动机结构特点：NoImage图10.16 永磁无刷直流电动机的主磁场磁密波形图永磁

22、无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院NoImage永磁无刷直流电动机定子绕组感应的相电势和电流波形永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院永磁同步电动机的发展前景永磁同步电动机的发展前景1.更高的节能效果。永磁同步电动机采用永磁体励磁，无需励磁电流，所以可以显著提高功率因数。定子电流小，转子无铜耗。比一般的异步电动机效率提高2%8%，尤其轻载运行节能效果显著。2.可满足某些工业需求大的启动转矩和最大转矩倍数的要求。3.低速驱动的需求。为了提高控制精度，减少震动噪音，也为了大转矩驱动要求，近年来对低速电动机的需求不断增长，如：电梯拖

23、动用永磁同步曳引机，转矩提高十几倍，取消了庞大的齿轮箱，通过曳引轮直接拖动轿厢，明显减小了噪音和震动；又如：船用吊舱式电力推动器，将低速大转矩永磁同步电动机置于船舱外的吊舱，无需原来的传动系统，直接驱动螺旋桨。四门子公司吊舱式推进器中PMSM容量已达30000KW。4.高功率密度的要求。舰船、车辆受体积限制，要求电动机要有高功率密度、高转矩密度。永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院永磁同步电动机由于无需励磁绕组，空间结构小，高性能的汝铁硼永磁材料具有高剩余磁感应强度和高矫顽力。5.运动控制系统的要求。目前电气传动系统已经从简单的速度控制发展到运动轨迹控制，由于永磁同步电动机比异步电动机更容易实现磁场定向的矢量控制，因此近年来有永磁同步伺服电动机系统构成的高精度数控机床、机器人等高科技设备的主流。其控制进度可达10000：1的调速范围和12%的转矩波动。永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院NoImageNoImage永磁同步电动机在电梯的使用永磁同步电动机在电梯的使用NoImage