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1、无刷直流电机,主要内容：1.无刷直流电机的结构组成2.无刷直流电机的工作原理3.无刷直流电机的数学模型4.转矩波动的成因&抑制,1.无刷直流电机的结构组成,图一 结构框图,（1）结构框图&控制系统示意图,图二 三相无刷直流电机控制系统,无刷直流电动机的电机本体：永磁同步电动机;主要特征：气隙磁场波形与电枢电流波形为方波；位置检测器：有位置传感器检测和无位置传感器检测；常见的有位置传感器是霍尔开关式位置传感器；目前比较成熟的无转子位置传感器控制方法主要有反电动势过零检测法和定子三次谐波检测法等。逆变器：逆变器主电路有桥式和非桥式两种，而电枢绕组既可以接成星形也可以接成角形，因此电枢绕组与逆变器主
2、电路的连接可以有多种不同的组合；无刷直流电动机最常见的工作方式是星形两相导通三相六状态。,（2）各个单元结构的性能与作用,控制器主要功能：(1)对转子位置检测器输出的信号,PWM调制信号,正反转和停车信号进行逻辑综合,为驱动电路提供各开关管的斩波信号和选通信号,实现电机的正反转及停车控制；(2)产生PWM调制信号,使电机的电压随给定速度信号而自动变化,实现电机开环调速；(3)对电机进行速度闭环调节和电流闭环调节,使系统具有较好的动态和静态性能；(4)实现短路,过流,过电压和欠电压等故障保护功能。注意：5种PWM调制方式PWM_ON ON_PWM H_ON_L_PWM H_PWM_L_ON H_
3、PWM_L_PWM不同调制方式的会对换向转矩造成不同的影响。综合考虑（1）（2）最常用，（3）（4）次之，（5）最不常用。,2.无刷直流电机工作原理,图三 工作原理示意图,A相、B相、C相绕组分别与功率管(VT1,VT4)(VT3,VT6),(VT5,VT2)相接,磁极位置传感器跟踪转子与电动机转轴相连接，通过逆变器功率管按一定的规律导通关断,使电机定子电枢产生按60角度不断前进的磁势,带动电机转子旋转实现的。原本两个磁势向量当其夹角为90时,相互作用力最大，但是由于电子电枢产生的磁势是以60角度前进,因此在每种触发模式下,转子磁势与定子磁势的夹角在12060之间变化才能产生最大的平均电磁转矩
4、。,如图所示三相全控电路方式，相比于半控有着突出的优点，故应用于大多数控制场合。三相全控方式又分为两两导通与三三导通。两两导通方式每个瞬间导通两个开关管，每60度换相一次，每次换相一个开关管，每个开关管导通120度；三三导通方式每个瞬间导通三个开关管，每60度换相一次，每个开关管导通180度。,图四 三相全控示意图,图五 反电动势、电流波形,3.无刷直流电机的数学模型,由于BLDCM 的气隙磁场、反电势以及电流波形是非正弦的,因此采用直、交轴坐标变化不是很有效的分析方法。直接利用电机本身的相变量来建立数学模型。假设：三相绕组完全对称；磁路不饱和；不计涡流和磁滞损耗；忽略齿槽效应。则可以建立相应
5、的BLDCM的数学模型。假设建立方程对象为：两极、三相；定子Y接法，集中整距绕组；转子采用隐极内转子结构（气隙均匀）；磁感应开关器件空间120度对称放置。,（1）电压方程,式中,ua、ub、uc 三相绕组的端电压(V)ia、ib、ic 三相绕组的相电流(A)ea、eb、ec 三相绕组的反电势(V)un 中性点电压(V)L 相绕组自感(H)M 每两相绕组间的互感(H)p 微分算子,p=d/dt,由于三相绕组为星接，有：,代入电压方程化简可得：,图六 无刷直流电机的等效电路,由上方程可以得到无刷直流电机的等效电路，图五所示。再由电路可以得到中性点电压的表达式为：,（2）反电动势方程,在无刷直流电机
6、中，反电动势被认为是梯行波（实际中应该并没有梯行波的尖角，而是以圆角过渡），这是由于感应电势是磁链的导数，而磁链为连续函数，所以不应该出现尖角。假设Ep为梯形波的峰值，可计算Ep为：,其中 为主磁通，为转速，N为总导体数。幅值已知后可以代入求解每相的瞬时感应电动势为：,其中 为主磁通，为角速度，p为电机极对数，N为总导体数。对于bc两相的情况与a相完全相同，只不过三相反电动势之间相差120度的空间角度。,理想的反电动势应为标准梯行波，平顶宽度为120度。但是由于感应电势为连续函数磁链的导函数，所以实际中反电动势波形为圆角的梯行波。,图七 理想反电动势波形,（3）电磁功率与电磁转矩方程,电磁功率
7、Pe为：,电磁转矩Te为：,运动方程为：,4.转矩波动的成因&抑制,（1）换相转矩波动 换相转矩波动成因主要有两个；第一：换相期间电流波动引起 假设反电动势为理想的梯形波（平顶宽度为120度），而且换相期间反电势不变。由于电机绕组呈感性，所以换向期间绕组电流不可能一下就完成，即是说电流波形不可能是理想的方波，这时就会出现三种不同的情况。,已知：，换相期间三相反电动势幅值相等，且有：可以得出当A向C相过渡时，转矩大小为：，可见转矩大小与非导通相 电流成正比,图八 换相期间电流三种变换状态,第二：反电动势为非理想梯形波形 实际情况中，无刷直流电机的三相反电动势都为圆角的梯形波形，从而使得换相点处的
8、反电动势要小于非换相时的反电动势，就算电流为理想的方波，最终也会使换相转矩小于非换相时转矩，从而造成转矩波动。,图九 实际情况的反电动势波形,（2）机械转矩波动 机械转矩波动的主要成因是齿槽效应的存在，由于齿槽使得气隙磁场分布不均，从而产生齿槽转矩。需从机械结构优化入手：,方法一：斜槽法,定子斜槽以及转子导条斜安装法示意图,作用：通过减小电机的倾斜因数，使其小于1，达到减小转矩波动的目的。,图十 斜槽法示意图,方法二：辅助齿槽法,图十一 增加辅助齿槽示意图,作用：在一个转子旋转周期内，齿槽数增多导致齿槽转矩的变化频率增加，进而增大了谐波次数，谐波次数增大导致谐波振幅变小，最终消弱齿槽转矩。,方法三：无铁芯法,图十二 无铁芯法示意图,作用：铁芯使用注塑结构，使气隙磁导率约等于铁心磁导率，从根本上消除齿槽效应。,谢谢！,
