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1、特种电机及其控制,1,特种电机及其控制,孙建忠 白凤仙 编著中国水利水电出版社,大连理工大学电气工程系,2,第1章 无刷直流电动机 及其控制系统Permanent Magnet Brushless DC Motors(PM BLDCMs),特种电机及其控制,3,三相三状态BLDCM 原理,传感器：H1=1 H2=0 H3=1导通相：B,特种电机及其控制,4,传感器：H1=1 H2=0 H3=0导通相：B,特种电机及其控制,5,传感器：H1=1 H2=1 H3=0导通相：C,特种电机及其控制,6,传感器：H1=0 H2=1 H3=0导通相：C,特种电机及其控制,7,传感器：H1=0 H2=1 H
2、3=1导通相：A,特种电机及其控制,8,传感器：H1=0 H2=0 H3=1导通相：A,特种电机及其控制,9,传感器：H1=1 H2=0 H3=1导通相：B,特种电机及其控制,10,1.1 无刷直流电动机系统,1.1.1 基本组成,无刷直流电机构成框图,特种电机及其控制,11,无刷直流电动机结构,(a)结构示意图,(b)定转子实际结构,1.电动机本体,特种电机及其控制,12,表面式磁极,嵌入式磁极,环形磁极,内转子结构形式,特种电机及其控制,13,实际电机,结构示意图,外转子无刷直流电动机,特种电机及其控制,14,2.逆变器,b)四相半桥主电路,a)三相半桥主电路,1)非桥式（半桥式）半控型,
3、特种电机及其控制,15,2.逆变器,2)桥式全控型,特种电机及其控制,16,2.逆变器,d)三角形联结三相桥式主电路,2)桥式全控型,特种电机及其控制,17,2.逆变器,2)桥式全控型,e)正交两相全控型主电路,特种电机及其控制,18,2.逆变器,2)桥式全控型,f)封闭形联结四相桥式主电路,特种电机及其控制,19,主电路选择原则,绕组利用率：三相绕组优于四相、五相绕组,转矩脉动：相数越多，转矩脉动越小,电路成本：相数越多，电路成本越高,星形联接三相桥式主电路应用最多,特种电机及其控制,20,3.位置检测器,位置检测器,有位置传感器检测,无位置传感器检测,磁敏式,光电式,电磁式,接近开关式,正
4、余弦变压器,编码器,反电动势检测,续流二极管工作状态检测,定子三次谐波检测,瞬时电压方程法,特种电机及其控制,21,4.控制器,控制器,模拟控制系统,数字控制系统,分立元件加少量集成电路构成的模拟控制系统,基于专用集成电路的控制系统,数模混合控制系统,全数字控制系统,控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服 功能的指挥中心,特种电机及其控制,22,永磁无刷直流电机系统图,控制电路对转子位置传感器检测的信号进行逻辑变换后产生脉宽调制PWM信号，经过驱动电路放大送至逆变器各功率开关管，从而控制电动机各相绕组按一定顺序工作，在电机气隙中产生跳跃式旋转磁场。,1.1.2 基本工作原理,特种电机
5、及其控制,23,工作原理,磁极图示位置位置信号逻辑变换V1、V6开通 A、B相导通I:E+-A-B-E-电机顺时针旋转,磁极转过60o图示位置位置信号逻辑变换V1、V2 开通 A、C相导通I:E+-A-C-E-电机顺时针旋转,转子每转过60o，逆变器开关管换流一次、定子磁状态改变一次，电机有6个磁状态，三相各导通120o两相导通三相六状态转子磁场顺时针连续旋转、定子磁场隔60O跳跃旋转自同步电机,特种电机及其控制,24,两相导通星形三相六状态时绕组和开关管导通顺序表,特种电机及其控制,25,1.1.3 无刷直流电动机与永磁同步电动机,由变频器供电的永磁同步电动机加上转子位置闭环控制系统后构成自
6、同步永磁电动机，既具有永磁直流电动机的优异调速性能，又实现了无刷化。,无刷直流电动机与永磁同步电动机两种驱动模式的波形比较如下图所示。,无刷直流电动机出力大、控制简单、成本低，其调速性能已能达到低速转矩脉动小于3、调速比大于1:10000的水平，因而越来越多地受到人们的青睐。,特种电机及其控制,26,(a)无刷直流电动机,(b)永磁同步电动机,特种电机及其控制,27,1.2 无刷直流电动机的主电路及其工作方式,无刷直流电动机的主电路主要有星形联结三相半桥式、星形联结三相桥式和角形联结三相桥式三种形式。,1.2.1 星形连接三相半桥主电路,特种电机及其控制,28,在三相半桥主电路中，位置信号有1
7、/3周期为高电平、2/3周期为低电平，各传感器之间的相位差也是1/3周期，如图所示。,旋转磁场在360电角度范围内有三种磁状态，每种磁状态持续120电角度。我们把这种工作方式叫做单相导通星形三相三状态。,特种电机及其控制,29,1.2.2 星形连接三相桥式主电路,位置检测器的三个输出信号通过逻辑电路控制这些开关管的导通和截止，其控制方式有两种：二二导通方式和三三导通方式。,特种电机及其控制,30,1.二二导通方式,电机的瞬时电磁转矩可由电枢绕组的电磁功率求得：,式中Ea、Eb、EcA、B、C三相绕组的反电动势；ia、ib、icA、B、C三相绕组的电流；转子的机械角速度。,可见，电磁转矩取决于反
8、电动势的大小。在一定的转速下，如果电流一定，反电动势越大，转矩越大。,特种电机及其控制,31,三相绕组的反电动势波形及其二二导通方式下的导通规律,特种电机及其控制,32,2.三三导通方式,三相绕组的反电动势波形及其三三导通方式下的导通规律,特种电机及其控制,33,1.2.3 角形连接三相桥式主电路,如图所示的角形联结三相桥式主电路的开关管也采用功率MOSFET。与星形联结一样，角形联结的控制方式也有二二导通和三三导通两种。,特种电机及其控制,34,1.二二导通方式,电枢绕组的反电动势波形及其角形联结二二导通方式的导通规律,特种电机及其控制,35,2.三三导通方式,电枢绕组的反电动势波形及其角形
9、联结三三导通方式的导通规律,特种电机及其控制,36,1.3 无刷直流电动机的电枢反应,电动机负载时电枢绕组产生的磁场对主磁场的影响称为电枢反应。,电枢绕组的合成磁动势变化如下图所示,如图所示，电枢磁动势的直轴分量Fad对转子主磁极产生最大去磁作用,特种电机及其控制,37,如图所示，电枢磁动势的直轴分量Fad对转子主磁极产生最大增磁作用。,可见，在一个磁状态范围内，电枢磁动势在刚开始为最大去磁，然后去磁磁动势逐渐减小；在1/2磁状态时既不去磁也不增磁；在后半个磁状态内增磁逐渐增大，最后达到最大值。增磁和去磁磁动势的大小等于电枢合成磁动势Fa在转子磁极轴线上的投影，其最大值为,特种电机及其控制,3
10、8,式中F 每相绕组的磁动势；W每相绕组的串联匝数；Kw绕组系数。,由于在无刷直流电动机中磁状态角比较大，直轴电枢反应磁动势可以达到相当大的数值，为了避免使永磁体发生永久失磁，在设计时必须予以注意。,特种电机及其控制,39,1-4 无刷直流电动机基本公式与数学模型,无刷直流电机的磁场、电势、电流波形方波电动机梯形波反电势与方波电流,特种电机及其控制,40,1.4.1 无刷直流电动机的数学模型,假设,(1)电动机的气隙磁感应强度在空间呈梯形(近 似为方波)分布；(2)定子齿槽的影响忽略不计；(3)电枢反应对气隙磁通的影响忽略不计；(4)忽略电机中的磁滞和涡流损耗；(5)三相绕组完全对称。,直接利
11、用电动机本身的相变量来建立数学模型,特种电机及其控制,41,三相绕组的电压平衡方程为,特种电机及其控制,42,当三相绕组为Y连接，且没有中线，则：ia+ib+ic=0Mia+Mib=-MicMib+Mic=-MiaMia+Mic=-Mib,所以得电压方程：,特种电机及其控制,43,无刷直流电动机的等效电路如图所示,特种电机及其控制,44,1.4.2 无刷直流电动机的反电动势,无刷直流电动机气隙磁密及反电动势波形如下图所示,特种电机及其控制,45,设电枢绕组导体的有效长度为La，导体的线速度为v，则单根导体在气隙磁场中感应的电动势为,(V),(m/s),如电枢绕组每相串联匝数为W，则每相绕组的感
12、应电动势幅值为,特种电机及其控制,46,1.4.3 无刷直流电动机稳态性能的动态模拟,依据基尔霍夫定律，可得换相过程中的电路方程为,续流结束后，换相完成，电路方程变为：,以上两式构成了无刷直流电动机的线电压模型,特种电机及其控制,47,1.4.4 无刷直流电动机稳态性能的简化分析,为了简化分析，假设不考虑开关器件动作的过渡过程，并忽略电枢绕组的电感。这样，无刷直流电动机的电压方程可以简化为：,式中UT开关器件的管压降；Ia 电枢电流；E 线电动势，即电机的反电动势。,特种电机及其控制,48,对于三相六状态无刷直流电动机，任一时刻都有两相绕组导通，故电机的反电动势为,式中Ce 电机的电动势常数，
13、,电枢绕组的电流为,在任一时刻，电机的电磁转矩由两相绕组的合成磁场和转子磁场相互作用产生，则,特种电机及其控制,49,电机的转速为,空载转速为,电动势系数为,转矩系数为,特种电机及其控制,50,1-5 无刷直流电动机的运行特性,1.5.1 机械特性,机械特性曲线,堵转转矩为,特种电机及其控制,51,调节特性,1.5.2 调节特性,调节特性的始动电压和斜率分别为,特种电机及其控制,52,1.5.3 工作特性,工作特性,120W样机效率特性,特种电机及其控制,53,1.6 无刷直流电动机的转矩脉动,1.6.1 转矩脉动的定义及引起转矩脉动的原因,转矩脉动定义为,转矩脉动的主要原因,电磁因素引起的转
14、矩脉动换相引起的转矩脉动；定子齿槽引起的转矩脉动；电枢反应的影响；机械工艺引起的转矩脉动,特种电机及其控制,54,1.6.2 换相与转矩脉动,1.换相过程中的相电流和转矩,换相过程中电路方程为,由于,又,得,特种电机及其控制,55,整理，得,换向过程中各相电流变化公式：,特种电机及其控制,56,解上述微分方程组，并考虑各相电流的初值和终值为换相前后各相电流的稳态值，得,特种电机及其控制,57,2.电机转速对换相的影响(三种情况),1）ia与ib变化率相等，即ia降为0的同时,ib达到稳态值I,令ia(tf)=0，可得换相时间为,令ib(tf)=I，可得换相时间为,所以：U=4E,上式反应了在该
15、换相条件下，外加电压与电机绕组反电势(也即转速)之间的相应关系,特种电机及其控制,58,情况1特点：换相电流同时达到稳态,情况1条件：U=4E,换相电流变化曲线,特种电机及其控制,59,换相电流变化曲线,2）ia降为零时，ib还未达到稳态值I,此时,所以情况2发生的条件：U4E,令ia(tf)0，得ia降为零的时间tf,特种电机及其控制,60,3）ib达到稳态值I时，ia还未降为零,换相电流变化曲线,发生条件：U4E,特种电机及其控制,61,3.不同换相过程中转矩的脉动,换相过程中的电磁转矩：,因ia十ib十ic0，则有:,换向期间电磁转矩与非换向相绕组中的电流成正比,特种电机及其控制,62,
16、对于情形1：U4E,T保持恒定对于情形2：U4E,T增加,在非换相时，即每个导通状态内，电机的电磁转矩为,当U4E时：,换向转矩脉动为：,特种电机及其控制,63,当U4E时：,换向转矩脉动为:,结 论1、换相转矩脉动决定于绕组反电势，也就是电机的转速，而与电枢稳态电流无关。2、当转速很低或堵转时，E0,Tr50；3、当转速很高时，U2E,Tr=-50；4、当转速满足时，U4E,Tr=0。,特种电机及其控制,64,1-7 无刷直流电动机转子位置信号的检测,1.7.1 转子位置传感器,磁敏式位置传感器 霍尔元件电磁式位置信感器 高频线圈光电式位置信感器 光耦合器件,特种电机及其控制,65,置于磁场
17、中的载流体，如果电流方向与磁场垂直，则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场，这个现象是霍普金斯大学研究生霍尔于1879年发现的，后被称为霍尔效应。,霍尔器件以霍尔效应为其工作基础，是一种磁传感器。可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔传感器主要有两大类，一类为开关型器件，一类为线性霍尔器件。,特种电机及其控制,66,Hall IC,霍尔元件功能方框图,特种电机及其控制,67,Hall IC 安装方式,第一种方式：将霍尔元件粘贴于电机端盖内表面，靠近霍尔元件并与之有一小间隙处，安装着与电机轴同轴的永磁体。,第二种方式：直接将霍尔元件敷贴在定子电枢铁心气隙表面或绕组端
18、部紧靠铁心处，利用电机转子上的稀土磁体主极作为传感器的水滋体，根据霍尔元件的输出信号即可判断转子磁极的位置，将信号放大处理后便可驱动逆变器工作。,特种电机及其控制,68,Hall IC 安装示意图,1、三个霍尔元件在空间依次相差120o电角度2、传感器磁极与转子磁极同轴旋转、极数相等、极性相对应,特种电机及其控制,69,电磁式位置传感器的定子由磁芯、高频激磁绕组和输出绕组组成，转子由扇形磁芯和非导磁衬套组成定、转子磁芯均由高频导磁材料(如软磁铁氧体)制成。电机运行时，输入绕组中通以高频激磁电流，当转子扇形磁芯处在输出绕组下面时，输入和输出绕组通过定、转子磁芯耦台，输出绕组中则感应出高频信号，经
19、滤波整形和逻辑处理后，即可控制逆变器开关管。,特种电机及其控制,70,优点1：电磁式传感器具有较高的强度，可经受较大的振动冲击，故多用于航空航天领域。优点2：电磁式位置传感器输出信号较大，一般不需要经过放大便可直接驱动开关管，但因输出电压是交流，必须先整流。缺点：传感器过于笨重复杂，因而大大限制了其在普通条件下的应用。,特种电机及其控制,71,(a)光电传感器电路原理图,(b)4极电机所用的遮光盘,对于两相导通星形三相六状态无刷直流电动机，三个光电开关在空间依次相差120电角度，光电开关与电枢绕组的相对位置以及遮光盘与转子磁极的相对位置类似于霍尔位置传感器。,光电式位置传感器是由装在电机转子上
20、的遮光盘和固定不动的光电开关组成的，其原理如图(a)所示。遮光盘上开有180电角度的扇形开口，扇形开口的数目等于无刷直流电动机转子磁极的极对数，4极电机所用遮光盘如图(b)所示；光电开关通常采用将发光二极管和光敏三极管封装在一起的光断续器。,特种电机及其控制,72,1.7.2 常用的无位置传感器位置检测方法,反电动势检测法,续流二极管工作状态检测法,定子三次谐波检测法,瞬时电压方程法,特种电机及其控制,73,1.7.2 利用反电动势检测转子位置,1.用端电压法检测反电动势过零点,A、B相导通时的电流回路图,特种电机及其控制,74,电机三相绕组输出端对直流电源地的电压方程组为,反电动势过零检测方
21、程组为,特种电机及其控制,75,三相绕组反电动势过零点检测方程组的第二种形式为,三相绕组反电动势过零点检测方程组的又种形式为,特种电机及其控制,76,基于端电压的反电动势检测电路,特种电机及其控制,77,基于相电压的反电动势检测电路,2.用相电压法检测反电动势过零点,将上图中检测电阻的中性点O与电源的负极断开，就得到如图所示的检测电路,反电动势的检测方程组为,特种电机及其控制,78,3.换相点的确定,延迟30换相原理图,特种电机及其控制,79,1-8 无刷直流电动机的控制原理及实现,1.8.1 无刷直流电动机控制系统原理,特种电机及其控制,80,1.8.2 数字控制系统中PID控制算法的实现,
22、PID(比例、积分、微分)控制算法常用于需要对变化的条件进行校正的闭环控制系统。,控制规律为,离散的增量式PID控制算法为,特种电机及其控制,81,1.8.3 PWM调制方式,(1)on_pwm型,特种电机及其控制,82,(2)pwm_on型,特种电机及其控制,83,(3)H_pwm-L_on型,在各自的120导通区间内，上桥臂功率开关通过PWM调制、下桥臂开关管恒通。,(4)H_on-L_pwm型,特种电机及其控制,84,(5)H_pwm-L_pwm型,特种电机及其控制,85,由于功率开关管只能单向导通，所以BLDCM反转不能靠通以反向电压实现。只有靠控制绕组的导通顺序来实现。换相逻辑转向,
23、1.8.4 无刷直流电机正反转,特种电机及其控制,86,正转时相互位置关系,uha=uhb=1uhc=0AB导通,uha=uhc=0uhb=1AC导通,特种电机及其控制,87,正转逻辑,特种电机及其控制,88,反转时相互位置关系,uhb=uhc=1uha=0BC导通,uha=uhc=0uhb=1AC导通,特种电机及其控制,89,反转逻辑,特种电机及其控制,90,正、反转时开关管的导通逻辑关系,特种电机及其控制,91,1.8.5 控制系统的实现,控制器是无刷直流电动机的三大组成部分之一，它主要包括开关主电路(即逆变器)、驱动电路和控制电路。,特种电机及其控制,92,1、开关主电路,对于单相交流电
24、源供电、电机采用三相电枢绕组时，典型的开关主电路通常由整流电路、滤波电路、缓冲电路和逆变电路构成,特种电机及其控制,93,特种电机及其控制,94,2、驱动电路,驱动电路将控制电路的输出信号进行功率放大，并向各开关管送去能使其饱和导通和可靠关断的驱动信号。驱动电路的工作方式直接影响着开关管的一些参数和特性，从而影响着整个电机控制系统的正常工作。开关管的种类不同，对驱动信号的要求也不同，因而对应的驱动电路也不同。,特种电机及其控制,95,常见集成驱动电路,特种电机及其控制,96,3、控制电路,控制电路是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，它主要完成以下功能：1)对转子位置传感器
25、输出的信号、PWM调制信号、正反转和停车信号进行逻辑综合,给驱动电路提供各开关管的斩波和选通信号,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)对电动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、过流和欠压等故障保护功能等。,特种电机及其控制,97,控制电路的形式:1、分立元件全模拟电路经济型2、专用集成控制电路 规模化、专用3、数模混合控制电路 半数字化(PID)4、全数字控制电路 高性能(MCU DSP),特种电机及其控制,98,1-9 无刷直流电动机控制专用集成电路及其应用,1.9.1 无
26、刷直流电动机专用集成电路,部分无刷直流电动机专用集成电路,特种电机及其控制,99,部分无刷直流电动机专用集成电路,特种电机及其控制,100,1.9.2 无刷直流电动机控制器的(MC3303)应用,MC33033 引脚功能介绍,特种电机及其控制,101,具有PWM 开环速度控制、使能控制(起动或停止)、正反转控制和能耗制动控制等功能,在外围加少许元件，便可以实现软起动，调试及检测非常方便,内部有锯齿波振荡器，频率可以根据需要进行设定,具有过流保护、欠压保护、过热保护功能,20脚塑封封装，内部带有温度补偿基准电源和转子位置传感器译码电路,MC3303的主要特点如下,特种电机及其控制,102,MC3
27、303的典型应用电路,特种电机及其控制,103,1.9.3 无位置传感器无刷直流电动机控制器 ML4428的应用,ML 4428管脚功能介绍,特种电机及其控制,104,ML 4428管脚功能介绍(续),特种电机及其控制,105,片内含有PWM转速控制电路，根据参考值进行变速控制。速度环由片内放大器控制，速度信号的检测通过监测VCO(压控振荡器)的输出来完成,采用专门的起动技术，起动顺序为：检测位置、驱动、加速、设定速度；起动速度快，起动时无反转,只用一个外部电阻就可调节和设定所有临界电流,可直接驱动12V电机的场效应管；也可用高端(对应逆变器的上桥臂)栅极驱动器驱动高压电机；可直接驱动外部场效
28、应管的栅极且确保其不被击穿,由压控振荡器(VCO)、反电动势取样误差放大器和顺序器构成锁相环，利用锁相技术实现三相无刷直流电动机的闭环换相,ML4428的主要特点如下,特种电机及其控制,106,ML4428的功能框图,特种电机及其控制,107,反电动势检测电路,特种电机及其控制,108,ML 4428驱动2460V电机,特种电机及其控制,109,1-10 无刷直流电动机的单片机控制,1.10.1 电机控制用单片机的选择,可以实现较复杂的控制,提高了控制的灵活性和适应性,无零点漂移，控制精度高,可提供人机界面，多机联网工作,使电路更简单,用微处理器取代模拟电路作为电动机的控制器有以下优点,特种电
29、机及其控制,110,1.10.2 基于C8051单片机的无刷直流电机控制,原理图,特种电机及其控制,111,二二导通方式下控制字(顺时针旋转),特种电机及其控制,112,二二导通方式下控制字(逆时针旋转),特种电机及其控制,113,1.10.3 基于MCS-96系列单片机的控制系统,原理图,特种电机及其控制,114,位置信号检测电路,特种电机及其控制,115,IR2130与单片机和IGBT逆变器的接口,特种电机及其控制,116,过电流检测电路,特种电机及其控制,117,过电压检测电路,特种电机及其控制,118,WG专用寄存器,特种电机及其控制,119,边沿对准PWM波形的发生,特种电机及其控制
30、,120,控制软件流程图,特种电机及其控制,121,1-11 基于DSP的无刷直流电动机无位置传感器控制,基于DSP的无位置传感器控制系统硬件,特种电机及其控制,122,1.11.1 TMS320LF2407的事件管理器简介,比较单元与CMP/PWM脉冲输出,捕获单元,正交编码脉冲(QEP)单元鉴相倍频,通用定时器,特种电机及其控制,123,换相控制电平与换相关系,特种电机及其控制,124,反电动势过零检测电路,特种电机及其控制,125,检测信号作为开关管驱动信号,特种电机及其控制,126,基于DSP的无刷直流电动机无位置传感器控制系统原理图 1,特种电机及其控制,127,端电压检测电路及其与
31、DSP接口,特种电机及其控制,128,基于DSP的无刷直流电动机无位置传感器控制系统原理图 2,特种电机及其控制,129,无刷直流电机转子定位过程示意图,特种电机及其控制,130,三段式起动,特种电机及其控制,131,电流检测与保护电路原理,特种电机及其控制,132,上桥PWM调制、下桥“通”时续流回路,特种电机及其控制,133,上桥“通”、下桥PWM调制时续流回路,特种电机及其控制,134,故障处理电路原理图,特种电机及其控制,135,软件控制流程,特种电机及其控制,136,BLDCM 的研究热点,新型无位置传感器检测方法与控制全数字、高性能控制系统特殊结构电机及其准确分析应用研究(电动车、智能家电),
