BLDC电动机本体设计及控制原理(详细版).ppt

1,稀土永磁无刷直流电动机,Rare Earth Permanent Magnet Brushless DC Motor(BLDCM),湖北工业大学稀土电机及控制研究所,2,稀土永磁无刷直流电动机,Rare Earth Permanent Magnet Brushless DC Motor，BLDCM 一、无刷电机概述 二、无刷电机原理与特性 三、无刷电机控制 四、无刷电机转矩脉动 五、无刷电机电磁设计,3,稀土永磁无刷直流电动机,一、无刷电机概述,Rare Earth Permanent Magnet Brushless DC Motor，BLDCM,4,无刷直流电动机概述,1.无刷直流电动机的应用2.无刷直流电动机发展历史3.无刷与有刷直流电动机比较4.无刷直流电动机的特点5.无刷直流电动机系统组成,5,无刷直流电动机概述,1.无刷直流电动机的应用,6,计算机中的无刷电机,7,计算机中的无刷电机,8,电动自行车中的无刷电机,9,家用电器中的无刷电机,10,本田 HEV INSIGHT,11,丰田混合电动汽车开发历程,12,本田 Insight 发动机和无刷电机,13,并联式混合动力系统,14,本田CIVIC的动力分配策略,15,电动汽车中的无刷电机,电机及控制器,16,电动汽车中的无刷电机,永磁体,永磁体,外转子结构的无刷电动机,17,外转子混合励磁无刷电机,18,电动汽车中的无刷电机,电机、控制器和减速箱一体化结构,19,2.无刷直流电动机 发展历史,无刷直流电动机概述,20,无刷直流电动机发展历史,有刷直流电动机 有刷直流电动机具有良好的起动和调速性能，但其存在换向器和电刷，导致换向火花、电磁干扰、可靠性差、造价高等一系列问题。,21,无刷直流电动机发展历史,异步电动机 异步电动机结构简单、运行可靠、价格便宜，但其调速和起动性能不佳。,22,无刷直流电动机发展历史,同步电动机 同步电动机具有良好的运行性能，但其起动性能不佳。,23,无刷直流电动机发展历史,上世纪三十年代，有人提出了用电子换相取代机械换向的无刷直流电动机概念，但当时尚无理想的电子换相器件。,24,无刷直流电动机发展历史,1955 年，美国 D.哈利森等人首次发明了应用晶体管代替机械换向器的无刷直流电动机，但当时没有电机转子位置检测器件，该电机没有起动能力。,25,1962年，人们使用霍尔元件来检测转子位置并控制绕组电流换相，无刷直流电动机达到实用化，但受到晶体管容量的限制，电机容量相对较小。,无刷直流电动机发展历史,26,无刷直流电动机发展历史,三大技术有力推动了永磁无刷直流电动机的快速发展 功率半导体器件 计算机控制技术 高性能稀土永磁材料,27,无刷直流电动机发展历史,70 年代以来，随着新型功率半导体器件（如GTR，MOSFET，IGBT，IPM）相继出现，计算机控制技术（单片机、DSP，新的控制理论）的快速发展，以及高性能稀土永磁材料（如 钐钴、钕铁硼）的问世，无刷直流电动机得到快速发展，容量不断增大，并获得了越来越广泛的应用。,28,无刷直流电动机概述,3.无刷直流电动机 的特点,29,无刷直流电动机分类,无刷直流电动机分为方波和正弦波电流驱动。正弦波电流驱动的无刷电动机名称比较多，英、美称为永磁同步电动机（PMSM），或无刷交流电动机（BLACM），日本、欧洲一些国家则称之为交流伺服电动机（AC Servo）”。,30,无刷直流电动机分类,电动机,交流电动机,直流电动机,异步电动机,同步电动机,无刷直流,永磁同步,磁滞,步进,磁阻,混合,永磁,变磁阻,单相,多相,永磁,电励磁,永磁,开关磁阻,同步磁阻,换向式,单极式,永磁,电励磁,串励,并励,复励,多相,单相,笼型,绕线,电容式,罩极式,电阻式,电容起动,电容运行,电容运行,31,无刷直流电动机分类,电动机,交流电动机,直流电动机,异步电动机,同步电动机,无刷直流,永磁同步,磁滞,步进,磁阻,混合,永磁,变磁阻,单相,多相,永磁,电励磁,永磁,开关磁阻,同步磁阻,换向式,单极式,永磁,电励磁,串励,并励,复励,多相,单相,有刷直流,32,有刷直流电动机的基本结构,Bearing,33,有刷直流电动机的基本结构,稀土永磁有刷直流电动机,转枢式,34,内转子，外定子 外转子，内定子,无刷直流电动机基本结构,转场式,35,稀土永磁直流电动机结构比较,内转子整数槽无刷直流电动机,36,稀土永磁直流电动机结构比较,内转子分数槽无刷直流电动机,37,稀土永磁直流电动机结构比较,外转子结构稀土永磁无刷直流电动机,38,无刷直流电动机定义,无刷直流电动机 无刷直流电动机是指没有电刷等机械换向装置，但具有有刷直流电动机（DCM）特性的电动机。,39,无刷与有刷直流电动机比较,无刷直流电动机与有刷直流电动机有相同的运行机理。,40,无刷与有刷直流电动机比较,无刷直流电动机与有刷直流电动机有相同的设计思想和设计方法。,41,无刷与有刷直流电动机比较,有刷直流电动机磁极磁场与电枢磁场始终处于正交状态。,42,无刷与有刷直流电动机比较,N,S,n,Ff,Fa,43,无刷与有刷直流电动机比较,无刷直流电动机磁极磁场与电枢磁场处在某一变化范围内。如三相无刷直流电动机 60 120范围内变化。,44,无刷与有刷直流电动机比较,相同条件下，无刷直流电动机转矩脉动比有刷直流电动机大，电磁转矩小。,45,无刷与有刷直流电动机比较,BLDCM 用电子换相取代 DCM 的机械换向，因而没有电刷与换向器。,46,无刷与有刷直流电动机比较,通常情况下，BLDCM 的电枢绕组在定子上，励磁（永磁体）在转子上，与 DCM 中的定转子互换了位置。,47,无刷与有刷直流电动机比较,通常 BLDCM 带有转子位置检测传感器，而 DCM 则不需这种位置检测装置。,48,无刷直流电动机概述,4.无刷直流电动机 的特点,49,无刷直流电动机主要特点,永磁无刷结构 电机免维护，可高速运行，因此可降低电机体积和重量，具有高功率和转矩密度和高效率。,50,无刷直流电动机主要特点,容易实现转矩控制 无刷直流电机的电磁转矩 Tem=KT Ff Fa sin 无刷直流电动机具有与直流电动机 相似的转矩特性。,51,无刷直流电动机主要特点,电力拖动系统转动方程,52,无刷直流电动机主要特点,异步电动机的电磁转矩 Tem=CTIa cos 一般情况下，Ff、Fa非正交，即、Ia 之间存在耦合关系。,53,无刷直流电动机主要特点,直流电动机电磁转矩 Tem=CT Ia=CT Ff Fa,54,无刷直流电动机主要特点,无刷直流电动机电磁转矩 Tem=KT Ff Fa sin 一般情况下,为90（或平均值为90），调节永磁无刷直流电动机电枢电流（电压）便可实现对转矩的控制。,55,无刷直流电动机主要特点,系统成本相对较低 逆变器方波电流容易实现，控制器结构较简单；电机可采用整距集中绕组，制造工艺较简单；转子位置传感器结构简单，成本低。,56,90年代以来永磁材料发展状况,永磁材料的磁能积,钕铁硼,钐 钴,铁氧体,57,稀土永磁无刷直流电动机特点,可明显降低电机重量，减小其体积；缩短转子外径，增加气隙长度，进 而改善了电机的有关性能；产生近似矩形波的气隙磁场，可设 计成方波无刷直流电动机；,58,稀土永磁无刷直流电动机特点,抗电枢反应去磁能力强，更适合 突然反转、堵转等运行工况；退磁曲线线性、可逆，简化了设 计和分析。,59,5.无刷直流电动机 系统组成,无刷直流电动机概述,60,无刷直流电动机系统组成,无刷直流电动机系统组成 1）控制器 2）电机本体 3）霍尔位置传感器,61,无刷直流电动机系统组成,直流电源,控制器,电动机,转子位置传感器,输出,无刷直流电动机系统框图,62,无刷直流电动机系统组成,V1V6,A,C,B,控制电路,驱动电路,电 机,霍尔位置传感器,控制器,A,C,B,1,3,6,4,2,5,S,逆变电路,三相永磁无刷直流电动机系统图,63,无刷直流电动机系统组成,某稀土永磁无刷直流电动机系统框图,64,无刷直流电动机系统组成,1）控制器,65,无刷直流电动机控制器,控制器的组成 开关主电路 驱动电路 控制电路,66,无刷直流电动机控制器,1,3,6,4,2,5,滤波电路 缓冲电路 逆变电路,接整流桥,D7,C3,R3,无刷直流电动机开关主电路,67,无刷直流电动机控制器,缓冲电路作用 减少开关管承受的尖峰电压，使开关管 工作在安全区域内，提高主电路的可靠性。C3：选用高频性能好的无感电容 D7：选用快速恢复二极管 或选用整体缓冲电路。,68,无刷直流电动机控制器,逆变电路 分立功率器件：功率晶体管GTR、功率 场效应管 MOSFET、绝缘栅晶体管 IGBT、可关断晶闸管GTO、MCT 功率集成电路：功率开关管集成块、智能 化功率模块 IPM,69,无刷直流电动机控制器,驱动电路作用 将控制电路的输出信号进行功率放大，并向各功率开关管送去能使其饱和导通和可靠关断的驱动信号。,70,无刷直流电动机控制器,驱动电路 美国IR公司生产的六路集成驱动芯片（如 IR2130），具有集成度高、速度快、过流欠压保护、开关频率高、价格便宜、调试方便等优点。,71,无刷直流电动机控制器,无刷直流电动机微机控制系统,uc,up,BLDCM,Rh,驱动电路,AD,电流检测,三角波发生器,PWM发生器,电流调节器,转速调节器,位置信号处理,逻辑控制单元,运行状态判断,反馈电流综合,速度反馈单元,PS,72,无刷直流电动机控制器,控制电路的作用（1）对转子霍尔位置传感器输出的信号、PWM 调制信号、正反转和制动信号 进行逻辑综合，给驱动电路提供相应 的导通和关断信号；,73,无刷直流电动机控制器,控制电路作用（2）产生PWM调制信号，使电机电压随给 定转速信号的变化而变化；对电机进行速度环和电流环的调节；实现短路、过流和欠压等故障保护功能。,74,无刷直流电动机控制器,控制电路形式 分立元件全模拟电路：目前少用 专用集成控制电路：功能特定 数模混合控制电路：广泛采用 全数字控制电路：发展方向,75,无刷直流电动机系统组成,2）电机本体,76,无刷直流电动机电机本体,电机本体构成 永磁转子 定子绕组,77,无刷直流电动机电机本体,永磁转子,78,无刷直流电动机永磁转子,径向式 切向式,永磁体充磁方向,S,N,N,S,S,S,S,N,N,隔磁套,N,N,S,N,N,S,S,隔磁间隙,轴,轴,79,无刷直流电动机永磁转子,稀土磁钢主磁极,实心转子铁心,轴,N,S,N,S,S,N,N,S,等厚磁极的转子结构,80,无刷直流电动机永磁转子,切向无间隔等厚磁极的转子结构,81,无刷直流电动机永磁转子,轴,N,S,N,S,N,N,S,S,等径磁极的转子结构,82,无刷直流电动机永磁转子,N,S,N,S,0,0,径向式 切向式,稀土永磁磁极,永磁电机气隙磁密波形,83,无刷直流电动机空载磁场,84,无刷直流电动机空载磁场,85,无刷直流电动机空载磁场,86,无刷直流电动机空载磁场,87,无刷直流电动机空载磁场,88,无刷直流电动机空载磁场,89,无刷直流电动机空载磁场,90,无刷直流电动机永磁转子,六极永磁无刷直流电动空载磁场,91,增磁时的CPPM无刷电机,92,无刷直流电动机永磁转子,1空载特性曲线 2负载特性曲线 3永磁体退磁曲线,空载工作点,负载工作点,磁钢的空载和负载工作点,93,无刷直流电动机永磁转子,磁钢的低温和高温工作点,1负载特性曲线 2永磁体低温退磁曲线 3永磁体高温退磁曲线,低消耗温工作点,高温工作点,94,定子绕组,无刷直流电动机电机本体,95,无刷直流电动机绕组型式,整数槽分布绕组（q整数）分数槽分布绕组（q分数）变压器式绕组（螺线管式绕组）,96,无刷直流电动机整数槽绕组,某三相无刷直流电动机，定子槽数 Z12，极数2P4，q 12/431。,97,无刷直流电动机整数槽绕组,A,1,7,2,8,4,10,3,9,6,12,5,11,Y,Z,B,X,C,槽电动势星形图,三相分相结果（q=1）,98,无刷直流电动机整数槽绕组,单层整距分布绕组展开图,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12,A B C X Y Z,N,S,N,S,99,无刷直流电动机整数槽绕组,A 相双层短距分布绕组展开图,N,S,N,S,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12,N,A,X,100,某三相无刷直流电机，定子槽数 Z15，极数 2P4，q 15/4354。,无刷直流电动机分数槽绕组,101,无刷直流电动机分数槽绕组,Z=12，2P4，q=1 Z15，2P4，q=5/4齿、极对齐，两者相吸 齿、极错开，产生磁阻转矩,整数槽,分数槽,102,无刷直流电动机分数槽绕组,某三相无刷直流电机，定子槽数 Z18，极数 2P4，q 18/4332。,103,无刷直流电动机分数槽绕组,1,9,2,10,3,11,4,12,5,13,6,14,7,15,8,16,17,18,三相分相结果（q=3/2）,A,B,C,X,Y,Z,104,无刷直流电动机分数槽绕组,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18,N,S,N,S,N,A,X,A 相绕组展开图(a=2),105,无刷直流电动机分数槽绕组,4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1 2 3,N,S,N,S,N,B,Y,B 相绕组展开图(a=2),106,无刷直流电动机分数槽绕组,7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1 2 3 4 5 6,N,S,N,S,N,C,Z,C 相绕组展开图(a=2),107,无刷直流电动机分数槽绕组,某三相无刷直流电机，定子槽数 Z15，极数 2P4，q 15/4354。,108,无刷直流电动机分数槽绕组,A,Y,B,C,Z,X,三相分相结果（q=5/4）,槽电动势星形图,109,无刷直流电动机分数槽绕组,A,N,S,N,S,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15,A 相绕组展开图,X,顺接组线圈:1,2,9反接组线圈:5,13,110,无刷直流电动机分数槽绕组,B,Y,N,S,N,S,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15,B 相绕组展开图,顺接组线圈:4,11,12反接组线圈:8,15,111,无刷直流电动机分数槽绕组,N,S,N,S,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15,C 相绕组展开图,顺接组线圈:3,10反接组线圈:6,7,14,C,Z,112,无刷直流电动机分数槽绕组,N,S,N,S,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15,C 相绕组端部的另一接法,C,Z,113,无刷直流电动机分数槽绕组,某三相无刷直流电机，定子槽数 Z27，极数 2P6，q 27/6332。,114,无刷直流电动机分数槽绕组,1,10,19,2,11,20,3,12,21,22,13,4,23,14,5,24,15,6,25,16,7,8,17,26,9,18,27,A,X,B,Y,Z,C,三相分相结果（q=3/2）,槽电动势星形图,115,无刷直流电动机分数槽绕组,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27,N,S,N,S,N,S,A,X,116,无刷直流电动机分数槽绕组,4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 1 2 3,N,S,N,S,N,S,B,Y,117,无刷直流电动机分数槽绕组,7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 1 2 3 4 5 6,S,N,S,N,S,N,C,Z,118,无刷直流电动机分数槽绕组,某三相无刷直流电机，定子槽数 Z36，极数 2P8，q 36/8332。,119,无刷直流电动机分数槽绕组,1,10,19,2,11,20,3,12,21,22,13,4,23,14,5,24,15,6,25,16,7,8,17,26,9,18,27,A,X,B,Y,Z,C,三相分相结果（q=3/2）,槽电动势星形图,120,无刷直流电动机变压器式绕组,六槽永磁无刷直流电动机实物照片,121,无刷直流电动机变压器式绕组,I、槽数 Z3，极数 2P2；II、槽数 Z6，极数 2P4；III、槽数 Z9，极数 2P6；,122,无刷直流电动机变压器式绕组,A,X,C,Z,B,Y,轴,槽数 Z3，极数 2P2,C,B,A,X,Y,Z,I,123,无刷直流电动机变压器式绕组,II,槽数 Z6，极数 2P4,124,无刷直流电动机变压器式绕组,槽电动势星形图,三相分相结果（q=0.5）,III,125,无刷直流电动机变压器式绕组,1 2 3 4 5 6 7 8 9,A 相集中式绕组展开图（a=3）,A,X,126,无刷直流电动机变压器式绕组,B 相集中式绕组展开图（a=3）,2 3 4 5 6 7 8 9 1,B,Y,127,无刷直流电动机变压器式绕组,C 相集中式绕组展开图（a=3）,3 4 5 6 7 8 9 1 2,C,Z,S,N,N,S,N,S,128,无刷直流电动机系统组成,3）霍尔位置传感器,129,无刷直流电动机霍尔位置传感器,霍尔效应 1879年美国霍普金斯大学霍尔（）发现，磁场中的导线有电流通过时，其横向不仅受到力的作用，同时还出现电压。随后，人们又发现，不仅导体，而且半导体也存在霍尔效应，而且更明显。,130,无刷直流电动机霍尔位置传感器,控制电流 IH,霍尔电动势E,磁感应强度B,霍尔电动势：,131,无刷直流电动机霍尔位置传感器,霍尔集成电路,-0.025 0 0.025 B/T,运算放大器,功率放大,霍尔元件,U0,Ucc,GND,0,1,2,3,4,U0/V,开关型霍尔集成电路特性曲线,132,霍尔位置传感器安装 霍尔定子安装 三个霍尔元件安装在无刷电机的定子方，空间上彼此相差 120电角度 分别与无刷电机定子三相绕组首端所在槽中心线对齐。,无刷直流电动机霍尔位置传感器,133,无刷直流电动机霍尔位置传感器,霍尔位置传感器安装 霍尔转子安装 与无刷电机转子同轴安装，薄磁片与霍尔元件气隙 1mm 左右，永磁体轴线与无刷电机转子主磁极轴线垂直。霍尔转子可直接利用无刷电机的主转子。,134,无刷直流电动机霍尔位置传感器,S,霍尔元件,电磁转矩：,C,Y,B,Z,X,A,S,N,n,霍尔磁片,135,无刷直流电动机霍尔位置传感器,霍尔元件位置调校 在大批量生产情况下，可以采用严格控制主转子永磁体质量的一致性和提高霍尔元件的贴装精度的措施，从而省去霍尔元件位置调校工作，达到简化操作程序、降低制造成本的目的。,136,无刷直流电动机霍尔位置传感器,转子位置检测波形,137,稀土永磁无刷直流电动机,二、无刷电机原理 与特性,Rare Earth Permanent Magnet Brushless DC Motor，BLDCM,138,无刷直流电动机原理与特性,1.有刷直流电动机原理2.无刷电机运行原理3.无刷电机基本关系4.无刷电机基本特性,139,无刷直流电动机原理与特性,1.有刷直流电动机原理,140,定、转子磁场正交,有刷直流电动机原理,fem=Bliatem=femDa/2Tem=temk(k=1toN)CTIa,ea=BlvEa=eak(k=1toN/2a)=Cen,直流电动机电磁转矩,N,S,Tem,n,ia,fem,fem,fem,fem,141,有刷直流电动机原理,直流电动机基本关系 电枢电动势：Ea=Cen 电磁转矩：Tem=CTIa 电压平衡方程式：U2UEa+IaRa 转速特性：,142,有刷直流电动机原理,1号线圈换向开始 1号线圈正在换向 1号线圈换向结束,1 2 1 2 1 2,K,3,2,1,电刷静止,K,3,2,1,K,3,2,1,ia,ia,ia,ia,ia,ia,2ia,2ia,2ia,直流电动机的机械换向过程,143,有刷直流电动机原理,1号线圈正在换向,直流电动机的机械换向过程,144,有刷直流电动机原理,换向元件中的电动势,电抗电动势,旋转电动势,145,有刷直流电动机原理,换向元件中的电流,直线换向电流,附加换向电流,146,有刷直流电动机原理,K,3,2,1,ia,ia,i,1 2,ia,i,Rb1,Rb2,Rb,换向过程电刷与换向器的接触电阻,147,有刷直流电动机原理,0.5 1 t/Tk,Rb1+Rb2,4Rb,0,换向元件回路串联的总电阻,148,有刷直流电动机原理,t,换向元件中的附加电流,149,有刷直流电动机原理,直流电机的直线换向电流,Tk,150,有刷直流电动机原理,直流电机的延迟换向电流,t,0,i,Tk/2 tc,-Ia,Ia,Tk,iL,iK,151,有刷直流电动机原理,直流电机的延迟换向电流,152,有刷直流电动机原理,K,3,2,1,ia,ia,i,1 2,ia,i,左刷（后刷）边出现火花,直流电动机的延迟换向,153,有刷直流电动机原理,K,3,2,1,ia,ia,i,1 2,ia,i,右刷（前刷）边出现火花,直流电动机的超越换向,154,有刷直流电动机原理,换向极,N,S,n,ia,Sk,eker,erek,Bk,顺着转子旋转方向看，换向极的极性应与主磁极的极性相反。,主磁极,换向极,Nk,直流电动机换向极的装法,155,有刷直流电动机原理,直流电动机换向极的装法,156,有刷直流电动机原理,N,S,n,ia,Sk,erek,eker,Bk,顺着转子的旋转方向看，换向极的极性应与主磁极的极性一致。,直流发电机换向极的装法,Nk,换向极,157,有刷直流电动机原理,直流电动机 直流发电机,直流电机移动电刷位置改善换向,158,无刷直流电动机原理与特性,2.无刷电机运行原理,159,无刷直流电动机运行原理,电机运行原理分析模型,Ff,S,C,X,B,Fa,C,Y,B,Z,A,N,S,n,id,A,a),b),定、转子磁场正交,160,无刷直流电动机运行原理,有刷直流电动机,N,S,Tem,n,无刷直流电动机,定转子交换位置,161,无刷直流电动机运行原理,Y C X B Z A Y C,原理分析模型展开图,S,N,n,n,S,S,N,S,S,S,N,=90,永磁磁极,：磁状态角,定子绕组等效磁极,162,无刷直流电动机原理与特性,3.无刷电机基本关系,163,无刷直流电动机基本关系,电磁转矩,恒定转矩的产生条件,164,无刷直流电动机基本关系,360,0,B,ea,ia,ia,B,180,150,30,ea,t,N,S,1,梯形波无刷直流电动机波形图,165,无刷直流电动机基本关系,三相电动势、电流波形图,e,i,0,0,360,0,iA,180,150,30,eA,iB,120,240,eB,eC,iC,t,t,t,A 相,B 相,C 相,166,无刷直流电动机基本关系,不同波形的无刷直流电动机,e,t,t,i,e,t,i,t,e,t,i,t,e,t,i,t,167,无刷直流电动机基本关系,EPS 无刷直流电动机的实测波形,相电动势,霍尔位置信号,168,无刷直流电动机基本关系,EPS 无刷直流电动机的实测波形,相电动势,169,无刷直流电动机基本关系,EPS 无刷直流电动机的实测波形,线电动势,170,无刷直流电动机基本关系,电流仿真波形 电流实测波形,EPS 无刷直流电动机的实测波形,171,无刷直流电动机基本关系,172,无刷直流电动机基本关系,ua,uc,ub,ia,ib,ic,Ra L-M,Ra L-M,Ra L-M,ea,eb,ec,无刷直流电动机的等效电路,173,无刷直流电动机基本关系,三相（无中线）无刷直流电动机的瞬态电压方程,ua、ub、uc定子相绕组电压；R定子相绕组电阻；ia、ib、ic定子相绕组电流；L定子相绕组电感；ea、eb、ec定子相绕组电动势；M两相绕组间的互感。,174,无刷直流电动机基本关系,三相（无中线）无刷直流电动机的状态方程,175,无刷直流电动机基本关系,无刷直流电动机动态特性由下列方程来描述,176,无刷直流电动机基本关系,无刷直流电动机的动态结构图,177,无刷直流电动机原理与特性,4.无刷电机基本特性,178,无刷直流电动机基本特性,不同转子结构的机械特性,机械特性：,n,Tem,0,1：普通直流电动机 2：径向式结构无刷电动机（电感较小）3：切向式结构无刷电动机（电感较大）,179,无刷直流电动机基本特性,1000,4000,3000,2000,2,4,6,n/(rpm),Tem/(N.m),0,2,8,6,4,2,4,6,Tem/(N.m),Ia/(A),0,机械特性转矩特性,一台稀土永磁无刷直流电动机（方波驱动）的实测特性,180,稀土永磁无刷直流电动机,三、无刷电机控制,Rare Earth Permanent Magnet Brushless DC Motor，BLDCM,181,无刷直流电动机控制,1.无刷电机正反转2.无刷电机回馈制动3.无刷电机起动与调速4.无刷电机闭环控制,182,无刷直流电动机控制,1.无刷电机正反转,183,无刷直流电动机正反转,1）无刷电机正向运行,184,无刷直流电动机正向运行,C,X,S,B,Fa,C,Y,B,Z,A,Ff,三相星形六磁状态,id,N,S,n,max=120,A,A、B 相绕组通入直流电流 id,185,无刷直流电动机正向运行,C,X,S,B,Fa,C,Y,B,Z,A,Ff,id,N,S,n,min=60,A,电动机正转 60 电角度,186,无刷直流电动机正向运行,S,C,Y,B,Z,A,Fa,Ff,X,B,C,A,S,N,S,n,id,A、C 相绕组通入直流电流 id,187,无刷直流电动机正向运行,S,C,Y,B,Z,A,Fa,Ff,X,B,C,A,S,N,S,n,id,电动机正转 60 电角度,188,无刷直流电动机正向运行,S,C,Y,B,Z,X,A,Ff,Fa,C,B,A,N,S,n,id,B、C 相绕组通入直流电流 id,189,无刷直流电动机正向运行,S,C,Y,B,Z,X,A,Ff,Fa,C,B,A,N,S,n,id,电动机正转 60 电角度,190,无刷直流电动机正向运行,Ff,X,B,C,Y,Z,A,B,C,A,Fa,N,S,S,n,id,B、A 相绕组通入直流电流 id,191,无刷直流电动机正向运行,Ff,X,B,C,Y,Z,A,B,C,A,Fa,N,S,S,n,id,电动机正转 60 电角度,192,无刷直流电动机正向运行,B,C,A,S,id,C、A 相绕组通入直流电流 id,Ff,X,B,C,Y,Z,A,Fa,N,S,n,193,无刷直流电动机正向运行,B,C,A,S,id,Ff,X,B,C,Y,Z,A,Fa,N,S,n,电动机正转 60 电角度,194,无刷直流电动机正向运行,X,B,C,A,Z,Fa,Ff,Y,B,C,A,N,S,S,n,id,C、B 相绕组通入直流电流 id,195,无刷直流电动机正向运行,X,B,C,A,Z,Fa,Ff,Y,B,C,A,N,S,S,n,id,电动机正转 60 电角度,196,无刷直流电动机正向运行,C,X,S,B,Fa,C,Y,B,Z,A,Ff,id,N,S,n,A,A、B 相绕组通入直流电流 id,197,无刷直流电动机正向运行,逆变器功率管驱动信号,V3,300,180,180,V1,V4,V6,120,240,60,60,360,120,240,300,360,V2,V6,V5,t,t,t,t,t,t,三相电流波形,120,240,300,180,240,360,iC,iB,iA,t,t,t,60,60,120,300,180,360,A,B,A,C,B,C,B,A,A,C,C,B,B,A,198,无刷直流电动机正反转,注：红色字体电压表示霍尔元件输出高电平信号；蓝色字体电压表示霍尔元件输出低电平信号。,199,无刷直流电动机反向运行,反向运行时的三相电流波形,200,无刷直流电动机正反转,2）无刷电机反向运行,201,无刷直流电动机反向运行,A,Fa,S,C,Y,B,Z,X,Ff,N,S,n,A、C 相绕组通入直流电流 id,C,B,id,A,202,无刷直流电动机反向运行,电动机反转 60 电角度,Ff,A,Fa,S,C,Y,B,Z,X,N,S,n,C,B,id,A,203,无刷直流电动机反向运行,Ff,A,Fa,S,C,Y,B,Z,N,S,n,C,B,id,A,A、B 相绕组通入直流电流 id,204,无刷直流电动机反向运行,A,Fa,S,C,Y,B,Z,N,S,n,C,B,id,A,电动机反转 60 电角度,Ff,205,无刷直流电动机控制,2.无刷电机回馈制动,206,无刷直流电动机回馈制动,正向制动时电磁转矩的方向,正向电动运行 正向回馈制动,Tem,Tem,n,n,TL,TL,207,无刷直流电动机回馈制动,回馈制动原理 只要改变同一磁极下电枢电流的方向，就可改变电动机电磁转矩的方向（fem=Bl ia），产生制动性质的转矩，电机进入正向制动（回馈发电）状态，将机械动能转换为电能消耗在直流环的电阻Rh（或对电池充电）。,208,无刷直流电动机回馈制动,C,B,id,id,B,C,A,A,A B B A,改变同一磁极下电枢电流的方向,209,无刷直流电动机回馈制动,回馈制动方法 改变同一磁极下电枢电流的方向，只须把同一桥臂上下两个功率管的导通时刻互换即可。如正向电动时V1导通的时刻由V4来代替，V6导通的时刻由V3来代替，电动机就会产生正向制动性质的转矩。,210,无刷直流电动机回馈制动,C,S,B,X,Fa,C,Y,B,Z,A,Ff,N,S,n,id,正向制动前电机处于正向电动状态,211,无刷直流电动机回馈制动,id,B,C,A,S,X,Fa,C,Y,B,Z,A,Ff,N,S,n,正向制动时电枢磁动势改变方向,212,无刷直流电动机回馈制动,正向电动状态 回馈制动,X,Fa,C,Y,B,Z,A,Ff,N,S,n,X,Fa,C,Y,B,Z,A,Ff,N,S,n,213,无刷直流电动机控制,正向电动,反向电动,正向回馈运行,正向回馈过程,反向回馈,1,2,3,4,Tem,n,214,无刷直流电动机控制,3.无刷电机起动与调速,215,无刷直流电动机起动与调速,1）无刷电机起动,216,无刷直流电动机起动,无刷直流电动机起动,同样，无刷直流电动机全压起动时起动电流也很大，这是主电路功率开关管和电机所不允许的。通常采用降压起动，以限制起动电流。,217,无刷直流电动机起动与调速,2）无刷电机调速,218,无刷直流电动机调速,电动汽车要求的驱动电机机械特性,恒转矩调速,恒功率调速,219,无刷直流电动机调速,调速方法 降压调速 弱磁调速,220,无刷直流电动机降压调速,t,up,u,t,电流调节器输出信号,三角波发生器输出信号,PWM 发生器输出信号,PWM 信号产生原理,ur,uc,221,无刷直流电动机弱磁调速,调速方法 控制方法 结构方法,222,无刷直流电动机弱磁调速,控制方法 即改变逆变器开关元件的触发角，使定子电流的相位提前，产生一个去磁的电枢磁动势，削弱永磁磁场。加弱磁线圈 即在电机定子铁芯中加入弱磁线圈，通入直流电流，产生一个轴向附加磁场，根据电流方向不同，可以削弱（或增加）永磁磁场。,223,无刷直流电动机弱磁调速,控制方法,224,无刷直流电动机弱磁调速,Fad=0，无去磁作用,F,Fa=Faq,C,Y,B,Z,A,Ff,N,S,n,=90,225,无刷直流电动机弱磁调速,Fad 的最大去磁作用,Faq,Fad,F,Fa,C,Y,B,Z,A,Ff,N,S,n,=120,90120,226,无刷直流电动机增磁调速,Fad 的最大增磁作用,Fad,F,Faq,Fa,C,Y,B,Z,A,Ff,N,S,n,=60,227,无刷直流电动机弱磁调速,e,i,0,0,360,0,iA,180,150,30,eA,iB,150,270,eB,eC,iC,t,t,t,电流超前电动势相位角,228,无刷直流电动机弱磁调速,1200 1600 2000 2400 n/(r min-1),Tem(N.m),20,40,60,80,120,140,160,0,=45,=40,=30,=0,不同相位角时无刷电机机械特性,229,无刷直流电动机弱磁调速,增大电流超前角可显著提高电动机的调速范围；的增大意味着电动机直轴去磁电流的增大，直轴 电枢反应去磁增大，从而实现电动机的弱磁；的增大将导致电动机转矩纹波增大，这些脉动转 矩频率较高，对电机运行影响不大；同时也将导致 电枢电流的增大，电机温升有所提高。,230,无刷直流电动机弱磁调速,结构方法,231,无刷直流电动机弱磁调速,混合励磁无刷直流电动机,内定子铁心,外转子铁心,永磁极,铁极,励磁绕组,232,无刷直流电动机弱磁调速,混合励磁无刷直流电动机样机,233,无刷直流电动机弱磁调速,混合励磁无刷电机增磁原理,永磁磁通,励磁磁通,合成磁通,234,无刷直流电动机弱磁调速,永磁磁通,励磁磁通,合成磁通,混合励磁无刷电机弱磁原理,235,无刷直流电动机弱磁调速,励磁磁通的去磁作用,转子转过180空间电角度,S,N,励磁磁通,感应极,N,励磁电流,S,236,无刷直流电动机弱磁调速,励磁磁通的增磁作用（改变励磁电流的方向）,转子转过180空间电角度,237,无刷直流电动机弱磁调速,样机的输出电压波形,调节CPPM 电机气隙磁通，可使电压有效值改变超过 30。A：23.46VB：18.13VC：11.52V,238,无刷直流电动机控制,4、无刷电机闭环控制,239,无刷直流电动机闭环控制,+,|iA|,|iB|,|iC|,2,PI,PWM,PS,+A,+B,+C,-A,-B,-C,_,I*REF,IF,iA,iB,iC,逻辑变换,无刷直流电动机控制框图,240,无刷直流电动机闭环控制,三相绕组电流经绝对值处理后相加再除以2 得到反馈电流 IF，这一电流代表了电机的等效电枢电流；,241,无刷直流电动机闭环控制,无刷电机三相绕组的通电次序由转子位置传感器PS的三个信号决定，对该信进行逻辑处理后得到三相逆变桥六个开关器件的驱动信号；,242,无刷直流电动机闭环控制,给定信号IREF与反馈电流 IF 相比较，由PI调节器输出来调节 PWM 波的宽度；当IFIREF 时，使PWM脉冲变窄。,243,无刷直流电动机变结构控制,同步电动机的特点 稳速精度高，可开环控制 无刷直流电动机的特点 起动和调速性能好,244,无刷直流电动机变结构控制,综合两者的优点，在同一控制线路中实现电机的两种运行方式，即电机处于起动或调速过程时，采用无刷直流电动机运行模式，一旦电机的转速到了给定值附近时，马上进入同步电动机模式。,245,无刷直流电动机变结构控制,这种系统的硬件结构不变，所不同的是系统的控制软件。电机同步运行时，CPU只需按一定的频率控制电机的换向；一旦失步，电机马上进入无刷直流电动机运行，并重新将其牵入同步。,246,无刷直流电动机变结构控制,转速给定,无刷直流电动机运行模式,同步电动机运行模式,转速检测,转速反馈,+,_,转速,247,稀土永磁无刷直流电动机,Rare Earth Permanent Magnet Brushless DC Motor，BLDCM,四、无刷电机脉动转矩,248,无刷直流电动机脉动转矩,无刷电机脉动转矩分类 齿槽脉动转矩 换相脉动转矩,249,无刷直流电动机脉动转矩,齿槽脉动转矩,250,无刷电机齿槽脉动转矩,齿槽转矩脉动 由于定子齿槽的存在，不同位置磁路上的磁阻存在差异，使气隙