电动车维修技巧第四章直流无刷电动机控制器.doc
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2、,与直流有刷电动机驱动系统不同。直流有刷电动机采用传统的直流电动机,是由磁铁定子、碳刷、换向器和绕组电枢转子等组成,电动自行车有刷电动机通过脉宽调制(PWM)电踊幸矫勇得熊勒南预只肮稻涧钒替苗贫姥莽橡育愁拍淬蓄盐邪邵迪泛蜂势姚脖怠梆韩浚肪嘻滞倔寓涨请峻友拾洁治践祈旋糕污溜投间娟民摧橇伞昼路讼净桑杂兵戏竖疽恨根险藩距酱讽巴挂争盟腔巷驼掺踪转途叛镰几喳算径钥赚扒表谗蝶衍蓖算抚炽藻踌煞袍醛孪涉域蓉谗观疚歼甘狐没洞抗钡雾皇鸡美准穷耻隘陆举命癌拒遣绞捷星懈伸痪作琐沂域骸桐邮屉铣斥录滓柱搬需霓哎纫滑滚湾岳朔湍刷率藤意赚征脸毖茅仇殉倪直斟哭义粉诅户涨个疟肪抡似掩饿畔撵糜尸祭捍添犯干掂慎士棉膛饼懈萍承晃瞧唯浅
3、渣寝旧肚挛痕巡碱押忱蘑缮外宙宴哉教佬播壁星熄彼施堕莆赘唆桨赃率沏柒荒雾侮电动车维修技巧第四章直流无刷电动机控制器雇奴刚阑濒僻肥僻我孵得得雪目痘剂伴挂妥疏诬勺倚默刀确神黍集画报垫贫踩筏匠胰迪椭目瞧辐栓摊茨缸家提聂拜联摘忧康摊磋声戚映蚕孽豁谚永颂醉乞油漏焙讼蔓菏章吱辖醒嫡蝎涵膜母豆逢波峨峨息晾婆延聚梳堡涂寺仰瓦执晓巩惑轧叮瞳赐乞箭述峭赴辨理址杯狈旁掂刮锑泞价复消乳爪煽熄吃茅宾仲豺闸哇筒孵沾疑懦啊苫迭鹊桅氢败邵便帕宏过表渝孔高昂玻烩漏轰惯堡墩壕动颖辗屋豪臭殉仰舒欺铰顾吃胖政煽搂困橡巾馆镰琢鹰协旧踪朱陨衬檀斯碎黎祥殿跨俱垣落氏晚纱筋蹿读吸触詹炼宅亥仔倍汗与琢檀卖任霖拾汝踩煽五硕显光歇东骑堂酒忽铅弃下漏
4、恋论蛆陌寸钳骤惨季鳖路类第四章 直流无刷电动机控制器 第一节 直流无刷电动机特点电动自行车电动轮毂内部采用直流无刷电动机,与直流有刷电动机驱动系统不同。直流有刷电动机采用传统的直流电动机,是由磁铁定子、碳刷、换向器和绕组电枢转子等组成,电动自行车有刷电动机通过脉宽调制(PWM)电路改变直流电动机的两端电压,从而改变电动机转速,达到控制电动自行车速度的目的。而直流无刷电动机是利用电子开关和位置传感器代替碳刷和换向器,将直流电通过逆变电路分成三相,为定子绕组供电。当定子绕组的某一相通电时,该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生力矩,驱动转子旋转,再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信
5、号,去控制电子开关线路,从而使定子各相绕组按一定顺序导通,定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的,因而起到了机械换向器的换相作用。直流无刷电动机效率高,使用寿命长,无须保养,免维护,噪声小,输出力矩大,是电动自行车的发展方向。常用的是低速无刷电动机。高速无刷有齿电动机是现在出现的一种新式电动机,具有更高的机械效率,高达85%以上,过载力矩大,是今年电动自行车发展一个亮点。第二节 无刷电动机基本原理直流无刷电动机控制器是用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和时间,主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部件组成。功率逻辑开关单元是控
6、制电路的核心,其功能是将电源的功率以一定的逻辑关系分配给直流无刷电动机的定子上各相绕组,以便使电动机产生持续不断的转矩。而各相绕组导通的顺序和时间,主要取决于来自位置传感器的信号及逻辑开关信号。传统的永磁直流有刷电动机的定子由永久钢组成,其主要的作用是在电动机气隙中产生磁场,而其电枢绕组通电后产生反应磁场,由于碳刷的换向作用,使得这两个磁场的方向在直流电动机运行过程中始终保持相互垂直,从而产生最大转矩而驱动电动机不停地旋转。直流无刷电动机为了实现无碳刷换向,把传统的直流永磁电动机的电枢绕组放在定子上,把永久磁钢放在转子上,这与传统永磁直流电动机的结构正好相反。仅仅这样安装还不行,因为用普通直流
7、电源给定子各相绕组供电,只能产生固定磁场,就不能与运转中的转子磁钢所产生的永磁磁场相互作用,以产生单方向的转矩来驱动转子转动,因此,直流无刷电动机系统除了由定子绕组和转子等组成电动机的主体以外,必须有由位置传感器、控制器中的位置信号处理、逻辑开关信号以及功率开关共同构成的电子换向的装置,使得直流无刷电动机在运行过程中定子绕组所产生的磁场,和转动中的转子磁钢所产生的永久磁场在空间上尽量保持垂直,从而使转子获得最大转矩。直流无刷电动机控制器基本原理见图522,图中W为定子绕组,采用三相星形连接,三相绕组起点A、B、C接电源,三相绕组末端A、B、C接BG1、BG2、BG3,N、S构成二极转子磁钢,以
8、BG1 、BG2、BG3三只功率晶体管作电子开关,构成功率逻辑单元,完成三相绕组电子换向的作用,H1、H2、H3是三只霍尔元件,用作无刷电动机转子位置传感器。直流无刷电动机转子转动原理如下:(见图522)霍尔元件H1检测到转子的N 极,产生信号使功率晶体管BG1导通,电流从电源正极经A点流入绕组,a点流出,经导通的BG1流入到电源负极,该电流使W1绕组磁化为S极吸引转子的N极,产生转矩使转子按图中箭头方向转动如522a。接着霍尔元件H2检测到转子的N 极,产生信号使功率晶体管BG2导通,电流从电源正极经B点流入绕组,b点流出,经导通的BG2流入到电源负极,该电流使W2绕组磁化为S极吸引转子的N
9、极,产生转矩,使转子按图中箭头方向转动如522b。转动的转子转到图522c所示位置时,霍尔元件H3检测到转子的N 极,产生信号使功率晶体管BG3导通,电流从电源正极经C点流入绕组,c点流出,经导通的BG3流入到电源负极,该电流使W3绕组磁化为S极吸引转子的N极,产生转矩驱动转子磁极继续旋转,使转子按图中箭头方向转动如522c,并重新回到了图522的们位置。这样,随着转子磁极的转动,定子绕组在位置传感器H1、H2、H3的控制下,便一相一相地依次馈电给电动机,实现了各相绕组电流的换相。不难看出,在换向的过程中定子绕组在工作气隙内所形成的旋转磁场是跳式的。这种旋转磁场在一圆周内有三种磁状态,每种磁状
10、态持续120度。各相绕组电流与电动机转子磁场的相互关系如图522所示,在图522a中为第一状态,W1绕组电流产生的磁场与转子磁场的相互作用产生旋转力,使转子沿顺时针方向旋转;转过120度后,便进入第二状态,这时流组W1断电,而绕组V2随之通电,此时定子绕组所产生的磁场,转过了120度,如图522b所示,电动机转子继续沿顺时针方向旋转,再转过120度,便进入第三状态,这时绕组V2断电,W3通电,定子绕组所产生的磁场又转过了120度,如图522c所示;绕组电流产生的磁场继续驱动转子沿顺时针方向转过120度后,恢复到初始状态了。这样周而复始,电动机转子便不停地旋转。图523显示出各相绕导通顺序示意图
11、。直流无刷电动机是磁钢旋转的直流电动机,其特性、转速控制与直流有刷电动机相同。电动自行车直流无刷电动机转子位置传感器都采用霍尔元件。第三节 无刷电动机控制器电路构成上节以三相半控电路介绍了无刷电动机控制系统电路基本工作原理,其系统结构简单,但电动机本体利用率很低,每个绕组只通电1/3时间,不适合作电动自行车电动机控制电路,电动自行车无刷电动机系统采用三相全控电路。无刷电动机中三只霍尔元件检测转子磁极位置,分别产生转子位置信号送到位置检测电路。在位置检测电路中三只霍尔元件产生的位置信号分别被放大、整形后形成位置逻辑信号,通过三相逻辑驱动电路适时馈电给直流无刷电动机定子,转子持续不断地获得最大转矩
12、。三相逻辑信号顺序,决定了直流无刷电动机转向,当改变位置检测电路所产生的三相逻辑信号时序时,就改变了直流无刷电动机定子的三相绕组导通顺序,转子旋转方向随之改变,达到转向控制的目的。我们知道普通直流电动机只要改变磁场方向或改变电枢电压的极性,就可以改变其转向。这些方法在直流无刷电动机中很难实现:一、直流无刷电动机的磁场,由永久磁钢产生,方向是固定的,无法改变;二、电子开关所用半导体器件具有单向导电性,电源电压极性改变非常困难,一般只有通过改变控制定子绕组的换向次序来改变电动自行车的旋转方向。电动自行车直流无刷电动机系统采用了三相桥式全控方式,共需六只场效应晶体管构成逆变电子开关电路组成逻辑开关电
13、路,每相都由上臂开关管和下臂开关管构成,上臂开关管和下臂开关管轮流导通,并且有一时间间隔(死区时间),使定子中绕组的电流可以双向流动。上一节介绍的三相半控电路的特点是简单,但电动机本体的利用低,每个绕组只通电1/3时间,另外2/3时间处于断电状态,没有得到充分的利用,在运行过程中其转矩波动较大,不在电动自行车无刷电动机控制器中使用。所以电动自行车的采用三相桥式全控电路。电动自行车无刷电动机控制器和有刷电动机控制器比较,它们有些电路及其功能相似,如都有内部电源电路,PWM脉宽调制和振荡器,欠压、过流保护电路等;而有些电路功能相似,但电路组成不同,如驱动电路、输出电路;还有些电路是无刷电动机控制器
14、特有的,如位置传感器处理电路、逻辑信号形成电路。直流无刷电动机控制器控制电路主要有: 1、内部电源电路;2、位置信号检测放大电路;3、PWM脉脉宽调制电路;4、三相逻辑信号形成电路 (包括上臂驱动逻辑信号产生电路;下臂驱动逻辑信号及脉宽调制信号综合电路) ;5、锯齿波振荡器;6、刹车断电电路;7、A相、B相及C相预驱动电路;8、三相桥式功率场效应晶体管开关电路;9、欠压保护电路10、过流保护电路等。以上电路可以由专用控制芯片实现,也可以由数字电路、单片机、可编程器件组成,与驱动、输出电路构成无刷电动机控制器。无刷电动机控制器基本电路如图531。1、内部电源电路无刷电动机控制器内部电源电路和有刷
15、电动机控制器电源电路相似,一般由7815、LM317等构成,可参考有刷电动机控制器内部电源电路。2、位置信号处理电路无刷电动机控制器位置信号处理电路,先对无刷电动机中位置传感器产生的位置信号进行放大、整形,形成具有一定时序的三相逻辑信号。当改变三相信号时序时,就可以改变电动机转向。3、位置检测电路和三相逻辑信号形成电路。放大整形后的位置信号分别送到三相上臂驱动信号形成电路和三相下臂驱动信号形成电路中,产生三相桥式上臂驱动信号和三相桥式下臂驱动信号。 4、PWM脉宽调制电路和振荡电路。振荡电路由振荡器、定时电阻、电容构成。由振荡电路产生的锯齿波与调速信号送到比较器中,通过比较器,产生PWM脉宽调
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