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1、第五章 三相永磁无刷直流电动机控制系统,引子 1、普通永磁直流电机的缺点：有刷结构，导致电机结构复杂，滑动接触，导致维护维修量大。2、三相永磁无刷直流电机的无刷结构消除了故障的主要根源,主要内容,第一节 结构和原理,用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极用具有三相绕组的定子取代电枢用逆变器和转子位置检测器组成的电子换向器取代有刷直流电动机的机械换向器和电刷,1.三相永磁无刷直流电动机的结构特点2.三相永磁无刷直流电动机的转子位置传感器3.三相直流无刷电动机的换向原理,与一般的永磁有刷直流电动机相比较,结构特点,属于三相永磁同步电动机的范畴,结构和原理,目前采用的永磁材料主要有铁淦氧、铝
2、镍钴、钕铁硼以及SmCO5和Sm2CO1,H/Am-1,几种永久磁铁的磁特性对比,转子上安置永久磁铁的方式,外装式,结构和原理,将成型永久磁铁装在转子表面,内装式,将成型永久磁铁埋入转子里面,d轴,q轴,q轴,d轴,转子,转子,永磁体转子的不同结构,永久磁铁的形状可分为扇形和矩形两种,铁心,定子线圈,永久磁铁,永久磁铁,非磁体,永久磁铁,非磁体,铁心,铁心,a扇形磁铁转子,b矩形磁铁转子,矩形磁铁转子适于大容量电机，且适于高速运转,分类,转子结构所对应的每相励磁磁势分布的不同,结构和原理,正弦波型,方波型,每相励磁磁势分布是正弦波状,每相励磁磁势分布呈方波状,稀土永磁方波型电动机属于永磁无刷直
3、流电动机的范畴,稀土永磁正弦波型电动机则一般作为三相交流永磁同步伺服电动机来使用,电动势与电流波形,永磁无刷直流电动机的转子磁极采用瓦形磁钢，经专门的磁路设计，可获得梯形波的气隙磁场，定子采用集中整距绕组，因而感应电动势也是梯形波的。由逆变器提供与电动势严格同相的方波电流，同一相（例如A相）的电动势 eA和电流波 iA 形图如图所示。,由于各相电流都是方波，逆变器的电压只须按直流PWM的方法进行控制，比各种交流PWM控制都要简单得多，这是设计梯形波永磁同步电动机的初衷。然而由于绕组电感的作用，换相时电流波形不可能突跳，其波形实际上只能是近似梯形的，因而通过气隙传送到转子的电磁功率也是梯形波。,
4、转矩脉动,如图所示，实际的转矩波形每隔60都出现一个缺口，而用 PWM 调压调速又使平顶部分出现纹波，这样的转矩脉动使梯形波永磁同步电动机的调速性能低于正弦波的永磁同步电动机。,图 梯形波永磁同步电动机的转矩脉动,如何区分,取决于电动机控制系统的控制方式取决于电动机的转子位置传感器的类型,正弦波永磁同步电动机一般采用旋转变压器、绝对式光电脉冲编码器或增量式光电脉冲编码器作为位置检测元件。,永磁无刷直流电动机（方波电动机）一般采用简易型的位置检测器，该器件不能用来检测转子的精确位置，其检测精度通常只有60度（电角度）。其主要作用是为了满足电动机换相的要求。,位置传感器,作用是检测主转子在运动过程
5、中的位置，将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，以控制它们的导通与截止，使电动机电枢绕组中的电流随着转子位置的变化按次序换向，形成气隙中步进式的旋转磁场，驱动永磁转子连续不断地旋转。,位置传感器的种类，有电磁式、光电式、磁敏式等,霍尔效应,当磁场中的导体有电流通过时，其横向不仅受到力的作用，同时还出现电压。,洛伦兹力：,对于一定的半导体薄片，其霍尔电压U,霍尔系数,控制电流,磁感应强度,薄片的厚度,霍尔传感器的原理,当RH、IH和d都为固定值时，通过测量电压U就可测得磁感应强度B,霍尔传感器按其功能和应用来分类,线性型 开关型,直流无刷电动机的转子位置检测器属
6、于开关型的传感器。,直流无刷电动机的霍尔位置传感器,位置传感器定子和位置传感器转子,转子与电动机主转子一同旋转，以指示电动机主转子的位置，既可以直接利用电动机的永磁转子，也可以在转轴其他位置上另外安装永磁转子。定子由若干个霍尔元件，按一定的间隔，等距离地安装在传感器定子上，以检测电动机转子的位置。,位置传感器的基本功能：在电动机的每一个电周期内，产生出所要求的开关状态数，以完成电动机的一个换流全过程。,霍尔位置传感器必须满足的条件,1)位置传感器在一个电周期内所产生的开关状态是不重复的，每一个开关状态所占的电角度应相等。2)位置传感器在一个电周期内所产生的开关状态数应和电动机的工作状态数相对应
7、。,三相无刷直流电动机，其位置传感器的霍尔元件的数量是3，安装位置应当间隔120电角度，其输出信号波形图,Ha,Hb,Hc,每360电角度内给出了6个代码，按其顺序排列，6个代码是101、100、110、010、011、001。,这一顺序与电动机的转动方向有关,三相直流无刷电动机的换向原理,电子换向器主回路,定子绕组的结构示意图,“定子空间扇区图”,分析无刷电动机的换相过程,利用“定子空间的扇区图”来分析换相过程，通过分析电动机的三相反电动势来理解换相过程。,三相无刷直流电动机的换相过程,“定子空间的扇区图”中共有6个扇区 电动机的转子位置检测器的输出信号顺序地给出了6个代码,定子磁场,转子,
8、定子电流的流向,A相：由A端流入，由X端流出。C相：由Z端流入，由C端流出。B相绕组不通电。,电子换向器主回路：1号开关管和2号开关管导通，其余的开关管都关断,转子,定子磁场,定子电流的流向,A相：由A端流入，由X端流出。B相：由Y端流入，由B端流出。C相绕组不通电。,电子换向器主回路：1号开关管和6号开关管导通，其余的开关管都关断,转子,电子换向器主回路：5号开关管和6号开关管导通，其余的开关管都关断,定子电流的流向,A相：不通电。B相：由Y端流入，由B端流出。C相：由C端流入，由Z端流出。,定子磁场,定子磁场,转子,电子换向器主回路：5号开关管和4号开关管导通，其余的开关管都关断,定子电流
9、的流向,A相：由X端流入，由A端流出。B相：不通电C相：由C端流入，由Z端流出,定子磁场,转子,电子换向器主回路：4号开关管和3号开关管导通，其余的开关管都关断,定子电流的流向,A相：由A端流入，由X端流出。B相：由B端流入，由Y端流出。C相绕组不通电。,定子磁场,转子,电子换向器主回路：3号开关管和2号开关管导通，其余的开关管都关断,定子电流的流向,A相绕组不通电B相：由B端流入，由Y端流出。C相：由Z端流入，由C端流出。,结论,定子的磁场是步进地、跨越地前进的，每步跨越60电角度，而转子当然是连续地运行的。,无刷直流电动机换相状态,结构和原理,扇 区,无刷直流电动机的基本物理量有电磁转矩、
10、电枢电流、反电势和转速等。,基本公式和数学模型,这些物理量的表达式与电动机气隙磁场分布、绕组形式有十分密切的关系。,理想的方波气隙磁场,梯形波反电动势和方波电流,本节主要内容,基本公式和数学模型,1.电枢绕组的反电势2.电磁转矩3.无刷直流电动机的数学模型,电枢绕组的反电势,基本公式和数学模型,设定子每相绕组串联的匝数是w,每相绕组的反电势,线电势E为两相电势之和,反电势系数,计算极弧系数,电磁转矩,方波电动机的电磁转矩T是由两相绕组的合成磁场与转子的磁场相互作用而产生的。,基本公式和数学模型,三相永磁方波电动机与永磁直流电动机有完全相同的反电势公式和转矩公式。,无刷直流电动机的数学模型,直接
11、利用电动机本身的相变量来建立数学模型,基本公式和数学模型,三相绕组的电压平衡方程,当采用Y型连接时，ia+ib+ic=0,电磁转矩,转矩波动是永磁无刷直流电动机在运行时的一个显著特点,转矩波动,定子磁场和转子之间的夹角的变化，是导致转矩波动的主要原因。,具有正弦波磁场，但按照无刷直流电动机的工作方式运行的三相永磁电动机来说，其转矩波动的幅度是比较大的。,定子磁场,转子,方波电动机引起转矩波动的原因,1)齿槽效应和磁通畸变引起的转矩脉动 2)谐波引起的转矩脉动 3)电枢反应的影响 4)相电流换向引起的转矩脉动 5)由于机械加工引起的转矩波动,转矩波动,三相永磁方波电动机从原理上说，电动机的电磁转
12、矩应当是平稳的，无波动的，但实际上，转矩的波动仍然是存在的，只不过与前面分析的情况相比，波动要小得多。,无刷直流电动机的应用,小功率无刷直流电动机主要用于计算机外围设备、办公室自动化设备和音响影视设备中在家用电器中的空调器、电冰箱、风扇、洗衣机在航空、军事设施应用领域里的雷达驱动、机载武器瞄准驱动、自行火炮火力控制驱动等等，在工业控制领域，机器人关节驱动和自动生产线、电子产品加工装备上的各种中小功率的驱动电动自行车、自动感应门,1.开环型无刷直流电动机驱动器2.速度闭环的无刷直流电动机驱动器3.速度电流双闭环的无刷直流电动机驱动器,驱动器,换相控制逻辑电路,开环型无刷直流电动机驱动器,2,5,
13、6,1,3,4,方向信号,脉 宽调制器,速度控制信号,4,3,6,5,过电流保护,驱动,2,1,驱动,驱动,驱动,驱动,驱动,Ha,Hb,Hc,电子换相器主电路,驱动器,扇区与导通的开关管的对应关系,扇区,驱动器,设1号6号开关管的控制信号分别为K1K6。可以得出逻辑表达式如下：,K1=Ha/HbDIR+/HaHb/DIRK2=/HbHcDIR+Hb/Hc/DIRK3=/HaHcDIR+Ha/Hc/DIRK4=/HaHbDIR+Ha/Hb/DIRK5=Hb/HcDIR+/HbHc/DIRK6=Ha/HcDIR+/HaHc/DIR,驱动器,PWM调速电路,实用的脉宽调制电路,输入的控制信号,三角
14、波信号,Uc=0,要求脉宽调制器输出为恒定的低电平,PWM信号的频率，是由三角波信号的频率决定的，在目前实际的无刷直流电动机控制系统中，这一频率一般都在10KHZ以上。,调节PWM信号的占空比，来调节电动机的定子电枢电压，从而实现调速。,驱动器,U+=Uc+(1-)Ut,保护电路,过流保护 在主回路中的直流母线上取得过流反馈信号，在过流保护环节中与设定的保护值相比较，如果超过了保护值就引发了保护动作，一般是封锁逆变器中的开关管，从而实现保护。,PWM信号与换相控制信号的合成,驱动器,将PWM信号和换相控制信号相“与”组合，调节PWM信号的占空比来调节电动机的定子电枢电压，从而实现调速。,速度闭
15、环的无刷直流电动机驱动器,结构图,6,6,速度反馈环节,换向逻辑,逆变器,合成,PWM,速 度控制器,M,位置传感器,驱动器,辨向和6倍频处理电路,CP,Ha,Q0,Hc,Hb,Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,CPZ,CPF,倍频辨向,驱动器,电动机正转时,110001、100011、000111、001110、011100、111000这6个代码是正转序列中独有的，是表示正转特征的代码。,驱动器,“公共代码”：,110011、000011、001111、001100、111100、110000,电动机反转时,001101、001011、010011、110010、110100、101100这6
16、个代码是反转序列中独有的，是表示反转特征的代码。,驱动器,“公共代码”：,0,0,0,110011、000011、001111、001100、111100、110000,正转时的输出脉冲CPZ=Q5Q4/Q3/Q2/Q1Q0+Q5/Q4/Q3/Q2Q1Q0+/Q5/Q4/Q3Q2Q1Q0+/Q5/Q4Q3Q2Q1/Q0+/Q5Q4Q3Q2/Q1/Q0+Q5Q4Q3/Q2/Q1/Q0 反转时的输出脉冲CPF=/Q5/Q4Q3Q2/Q1Q0+/Q5/Q4Q3/Q2Q1Q0+/Q5Q4/Q3/Q2Q1Q0+Q5Q4/Q3/Q2Q1/Q0+Q5Q4/Q3Q2/Q1/Q0+Q5/Q4Q3Q2/Q1/Q0
17、,速度电流双闭环的无刷直流电动机驱动器,至少必须设置两路电流传感器（一般采用霍尔电流传感器）,iB,iA,电流传感器的安装位置,构成电流闭环的方式只需要一个电流控制器需要两个电流控制器,驱动器,单一电流控制器的方式,要将检测到的电流值Ia和Ib“拼接”起来，形成一个总的电流反馈信号，这个总的电流反馈信号的幅值就是Im。,电流反馈信号拼接的原理图,驱动器,CC4066,绝对值电路,驱动器,Ugi的极性为正时，DIR 为1 Ugi为负时，DIR为0,单一电流控制器的双闭环控制系统框图,DIR,电流反馈信号合成,电流调节器,换相逻辑,三相逆变器,_,+,速度给定,Hc,ugi,测速反馈,_,Hb,H
18、a,ib,ia,if,MCMD,驱动器,两只电流控制器的方式,无需对电流反馈进行“拼接”，但需要对速度调节器的输出信号Ugi进行“分解”，使其能够成为A相和B相的电流的给定信号。,-ugi,ugi,KAF,KAZ,i*a,HC,HA,HB,KAF,KAZ,逻辑电路,驱动器,脉冲宽度调制,Ua*、Ub*和Uc*和三角载波信号Ut进行比较，经过调制后的信号是三路PWM波，可以用其控制逆变器主回路，实现对电动机的驱动.,+,Ut,PWM,Ua*(Ub*、Uc*),Vcc,三角波,驱动器,两只电流调节器的双闭环控制系统框图,驱动器,无位置传感器的无刷直流电动机的驱动控制,主要内容无刷直流电动机转子位置
19、估计方法无位置传感器无刷直流电动机控制系统的构成,驱动控制,无刷直流电动机转子位置估计方法,常用的方法反电势法、定子三次谐波法、电流通路监视法,需要估计出换相时刻的转子位置 在一个周期内只要估计6个时刻。,驱动控制,反电势法,对于稳态运行的电动机来说，反电势法是最简单最实用的方法。适合于电机稳定运行。,原理：无刷直流电动机在任何时刻其三相绕组只有两相导通，每相绕组正反向分别导通120电角度，通过测量三相绕组端子及中性点相对于直流母线负端的电位，可估算换向时刻。,直接反电势法：当某相绕组的端点电位与中性点电位相等时，说明此时刻这相绕组的反电势为零，再过30电角度就必须对开关管进行换相，据此可设计
20、过零检测及移相(或定时)电路，得到全桥驱动内6个开关管的开关顺序 间接反电势法：它直接测量定子每相的电压，然后由电压方程解出反电势的值。,驱动控制,反电势积分法,基本原理：采用信号选择电路，所选相即为未导通的绕组。当反电势过零后开始对其绝对值进行积分，积分值达到预先设定的门限值后，便产生换相信号。,应用无位置传感器无刷直流电动机的四象限运行，获得了较好的动态性能。,驱动控制,定子三次谐波法,原理：由于无刷直流电动机的反电势为梯形波，它包含了三次谐波分量。将此分量检测出来并进行积分，积分值为零时即得功率器件的开关信号。,方法：用星型电阻中性点与直流侧的中点之间的电压来获得三次谐波电压，不过它要用
21、滤波器来消除高频分量。,优点具有更宽的运行范围，可在5额定转速下稳定运行,驱动控制,无位置传感器无刷直流电动机控制系统结构,反电动势法,驱动控制,无位置传感器无刷直流电动机控制系统结构,积分,过零检测,换相逻辑,驱动,6,1,5,4,3,2,2,滤波,1,6,4,5,3,定子3次谐波法,驱动控制,无刷直流电动机控制系统框图,驱动芯片,专用集成电路内均含有一个转子位置译码器电路，接收转子位置传感器信号，给予放大和译码。设置了控制功能保护功能，对芯片和电机进行保护。,UC3625,直接驱动外接MOSFET或达林顿晶体管。过电压和欠电压保护安全正反转控制测速信号输出防止上下桥臂直通的保护两象限或四象限运行5V参考电压,引脚功能说明,引脚6（DIR）：方向控制信号引脚1（E/A IN+）、引脚28（E/A IN）、27（E/A OUT）：误差放大器的输入和输出脚，可用于电流控制、转速控制、系统补偿等用途引脚26（PWM IN）：引脚8、9、10：电动机霍尔传感器输入端引脚14、13、12：输出端驱动三相桥下侧开关管，驱动电流0.5A，可直接驱动N沟道MOSFET引脚18、17、16：输出端驱动三相桥上侧开关管,
