無刷直流電機(jī).

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1、特種電機(jī)及其控制1Permanent Magnet Brushless DC Motors (PM BLDCMs)特種電機(jī)及其控制20.1 永磁材料永磁材料 什么是永磁材料什么是永磁材料 ？0.1.1 永磁材料的特性永磁材料的特性0.1.2 常見的永磁材料常見的永磁材料特種電機(jī)及其控制3特種電機(jī)及其控制4特種電機(jī)及其控制5特種電機(jī)及其控制60.1.3 退磁曲線退磁曲線什么是退磁曲線什么是退磁曲線 ？什么是磁能積？什么是磁能積？0.1.4 回復(fù)線回復(fù)線特種電機(jī)及其控制70.2 永磁電機(jī)分類永磁電機(jī)分類 0.2.1 永磁同步電機(jī)永磁同步電機(jī) 正弦波驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)，一般簡(jiǎn)稱為正弦波驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)

2、，一般簡(jiǎn)稱為永磁同永磁同步電機(jī)步電機(jī)。 方波驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)，即方波驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)，即無刷直流電機(jī)無刷直流電機(jī)。直流永磁電機(jī)直流永磁電機(jī)交流永磁電機(jī)交流永磁電機(jī)特種電機(jī)及其控制81.1 基本組成基本組成 位位 置置 檢檢 測(cè)測(cè) 器器 逆逆 變變 器器 電電 機(jī)機(jī) 本本 體體 控控 制制 信信 號(hào)號(hào) 控控 制制 器器 輸輸 出出 直直 流流 電電 源源 無刷直流電機(jī)構(gòu)成框圖無刷直流電機(jī)構(gòu)成框圖特種電機(jī)及其控制9 定定子子 永永磁磁轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子 傳傳感感器器定定子子 傳傳感感器器轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子 (a) 結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖 (b) 定轉(zhuǎn)子實(shí)際結(jié)構(gòu)定轉(zhuǎn)子實(shí)際結(jié)構(gòu) 特種電機(jī)及其控制10 N S N S N S

3、 N S 表面式磁極表面式磁極 N N N N N N S S S S S S 嵌入式磁極嵌入式磁極 N S N S N S N S 環(huán)形磁極環(huán)形磁極 內(nèi)內(nèi) 特種電機(jī)及其控制11實(shí)際電機(jī)實(shí)際電機(jī) 外外轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子 繞繞組組 永永磁磁體體 內(nèi)內(nèi)定定子子 結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖 特種電機(jī)及其控制12特種電機(jī)及其控制13 US A B C D b) b) 四相半橋主電路四相半橋主電路 US A B C a) a) 三相半橋主電路三相半橋主電路1) 非橋式（半橋式）非橋式（半橋式）半控型半控型特種電機(jī)及其控制142) 橋式橋式全控型全控型c) c) 星形聯(lián)結(jié)三相橋式主電路星形聯(lián)結(jié)三相橋式主電路 US VD1

4、 VD4 VT1 VT4 VD5 VD2 VT3 VT6 VD3 VD6 VT5 VT2 A B C 特種電機(jī)及其控制15d) 三角形聯(lián)結(jié)三相橋式主電路三角形聯(lián)結(jié)三相橋式主電路 2) 橋式橋式全控型全控型 US VD1 VD4 VT1 VT4 VD5 VD2 VT3 VT6 VD3 VD6 VT5 VT2 A B C 特種電機(jī)及其控制162) 橋式橋式全控型全控型e)正交兩相全控型主電路正交兩相全控型主電路 US A B 特種電機(jī)及其控制172) 橋式橋式全控型全控型f) 封閉形聯(lián)結(jié)四相橋式主電路封閉形聯(lián)結(jié)四相橋式主電路 US A B C D 特種電機(jī)及其控制18繞組利用率：繞組利用率：三相繞

5、組優(yōu)于四相、五相繞組三相繞組優(yōu)于四相、五相繞組轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)：轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)：相數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)越小相數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)越小電路成本：電路成本：相數(shù)越多，電路成本越高相數(shù)越多，電路成本越高星形聯(lián)接三相橋式主電路應(yīng)用最多星形聯(lián)接三相橋式主電路應(yīng)用最多特種電機(jī)及其控制19位位置置檢檢測(cè)測(cè)器器有位有位置傳置傳感器感器檢測(cè)檢測(cè)無位無位置傳置傳感器感器檢測(cè)檢測(cè)磁敏式磁敏式光電式光電式電磁式電磁式接近開關(guān)式接近開關(guān)式正余弦變壓器正余弦變壓器編碼器編碼器反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測(cè)續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測(cè)定子三次諧波檢測(cè)定子三次諧波檢測(cè)瞬時(shí)電壓方程法瞬時(shí)電壓方程法特種電機(jī)及其控制20控控制制器器模擬模擬控

6、制控制系統(tǒng)系統(tǒng) 數(shù)字?jǐn)?shù)字控制控制系統(tǒng)系統(tǒng) 分立元件加少量集分立元件加少量集成電路構(gòu)成的模擬成電路構(gòu)成的模擬控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 基于專用集成電路基于專用集成電路的控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng) 數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng)數(shù)模混合控制系統(tǒng) 全數(shù)字控制系統(tǒng)全數(shù)字控制系統(tǒng) 是無刷直流電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)各種調(diào)速伺服是無刷直流電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)各種調(diào)速伺服 功能的指揮中心功能的指揮中心 特種電機(jī)及其控制21永磁無刷直流永磁無刷直流電機(jī)系統(tǒng)圖電機(jī)系統(tǒng)圖控制電路對(duì)轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行邏輯變換控制電路對(duì)轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行邏輯變換后產(chǎn)生脈寬調(diào)制后產(chǎn)生脈寬調(diào)制PWMPWM信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路放大送至逆信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路

7、放大送至逆變器各功率開關(guān)管，從而控制電動(dòng)機(jī)各相繞組按一定變器各功率開關(guān)管，從而控制電動(dòng)機(jī)各相繞組按一定順序工作，在電機(jī)氣隙中產(chǎn)生跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。順序工作，在電機(jī)氣隙中產(chǎn)生跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。 特種電機(jī)及其控制22 US A B C 特種電機(jī)及其控制23 VT2 VT6 VT4 VT1 VT3 VT5 A B C + US - - 位置檢測(cè)器的三個(gè)輸出信號(hào)通過邏輯電路控制這些位置檢測(cè)器的三個(gè)輸出信號(hào)通過邏輯電路控制這些開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，其控制方式有兩種：開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，其控制方式有兩種：。特種電機(jī)及其控制24 三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)波形及其二二導(dǎo)通方式下的導(dǎo)通規(guī)律三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)波形及其二二導(dǎo)通

8、方式下的導(dǎo)通規(guī)律 特種電機(jī)及其控制25 三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)波形及其三三導(dǎo)通方式下的導(dǎo)通規(guī)律三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)波形及其三三導(dǎo)通方式下的導(dǎo)通規(guī)律 特種電機(jī)及其控制26在三相半橋主電路中，位置信號(hào)有在三相半橋主電路中，位置信號(hào)有1/3周期為高電平、周期為高電平、2/3周期為低電平，各傳感器之間的相位差也是周期為低電平，各傳感器之間的相位差也是1/3周期，如周期，如圖所示。圖所示。 0 120 240 360 480 t 0 120 240 360 480 t 0 120 240 360 480 t H1 H2 H3 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在360360 電角度范圍內(nèi)有三種磁狀態(tài)，每種電角度范圍內(nèi)有三種磁

9、狀態(tài)，每種磁狀態(tài)持續(xù)磁狀態(tài)持續(xù)120120 電角度。我們把這種工作方式叫做單電角度。我們把這種工作方式叫做單相導(dǎo)通星形相導(dǎo)通星形三相三狀態(tài)三相三狀態(tài)。特種電機(jī)及其控制27 VT2 VT6 VT4 VT1 VT3 VT5 A B C + US - - 位置檢測(cè)器的三個(gè)輸出信號(hào)通過邏輯電路控制這些位置檢測(cè)器的三個(gè)輸出信號(hào)通過邏輯電路控制這些開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，其控制方式有兩種：開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，其控制方式有兩種：。特種電機(jī)及其控制28 電機(jī)的瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩可由電樞繞組的電磁功率求得： a abbc ceEiEiEiT式中式中E Ea a、E Eb b、E Ec cA A、B B、C C三相繞組的反

10、電動(dòng)勢(shì)；三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)；i ia a、i ib b、i ic cA A、B B、C C三相繞組的電流；三相繞組的電流； 轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度。轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度。 可見，電磁轉(zhuǎn)矩取決于反電動(dòng)勢(shì)的大小。在一定的轉(zhuǎn)可見，電磁轉(zhuǎn)矩取決于反電動(dòng)勢(shì)的大小。在一定的轉(zhuǎn)速下，如果電流一定，反電動(dòng)勢(shì)越大，轉(zhuǎn)矩越大。速下，如果電流一定，反電動(dòng)勢(shì)越大，轉(zhuǎn)矩越大。特種電機(jī)及其控制29三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)波形及其二二導(dǎo)通方式下的導(dǎo)通規(guī)律三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)波形及其二二導(dǎo)通方式下的導(dǎo)通規(guī)律 特種電機(jī)及其控制30 三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)波形及其三三導(dǎo)通方式下的導(dǎo)通規(guī)律三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)波形及其三三導(dǎo)通方式下的導(dǎo)通規(guī)律 特種電機(jī)及其

11、控制31 V T2 V T6 V T4 V T1 V T3 V T5 C + US - - A C B 如圖所示的角形聯(lián)結(jié)三相橋式主電路的開關(guān)管也采用功率如圖所示的角形聯(lián)結(jié)三相橋式主電路的開關(guān)管也采用功率MOSFET。與星形聯(lián)結(jié)一樣，角形聯(lián)結(jié)的控制方式也有。與星形聯(lián)結(jié)一樣，角形聯(lián)結(jié)的控制方式也有二二二導(dǎo)通和三三導(dǎo)通二導(dǎo)通和三三導(dǎo)通兩種。兩種。 特種電機(jī)及其控制32 電樞繞組的反電動(dòng)勢(shì)波形及其角形聯(lián)結(jié)二二導(dǎo)通方式的導(dǎo)通規(guī)律電樞繞組的反電動(dòng)勢(shì)波形及其角形聯(lián)結(jié)二二導(dǎo)通方式的導(dǎo)通規(guī)律 特種電機(jī)及其控制33 電樞繞組的反電動(dòng)勢(shì)波形及其角形聯(lián)結(jié)三三導(dǎo)通方式的導(dǎo)通規(guī)律電樞繞組的反電動(dòng)勢(shì)波形及其角形聯(lián)結(jié)三三導(dǎo)

12、通方式的導(dǎo)通規(guī)律 特種電機(jī)及其控制34電動(dòng)機(jī)負(fù)載時(shí)電樞繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)主磁場(chǎng)的影響稱為電動(dòng)機(jī)負(fù)載時(shí)電樞繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)主磁場(chǎng)的影響稱為電樞反應(yīng)電樞反應(yīng)。 電樞繞組的合成磁動(dòng)勢(shì)變化電樞繞組的合成磁動(dòng)勢(shì)變化如下圖所示如下圖所示 A Z B X C Y Fa Fr N S I Faq Fad II 特種電機(jī)及其控制35 A Z B X C Y Fa Fr N S I Faq Fad II 可見，在一個(gè)磁狀態(tài)范圍內(nèi)，電樞磁動(dòng)勢(shì)在剛開始為最可見，在一個(gè)磁狀態(tài)范圍內(nèi)，電樞磁動(dòng)勢(shì)在剛開始為最大去磁，然后去磁磁動(dòng)勢(shì)逐漸減??；在大去磁，然后去磁磁動(dòng)勢(shì)逐漸減?。辉?/21/2磁狀態(tài)時(shí)既不磁狀態(tài)時(shí)既不去磁也不增磁；

13、在后半個(gè)磁狀態(tài)內(nèi)增磁逐漸增大，最后去磁也不增磁；在后半個(gè)磁狀態(tài)內(nèi)增磁逐漸增大，最后達(dá)到最大值。增磁和去磁磁動(dòng)勢(shì)的大小等于電樞合成磁達(dá)到最大值。增磁和去磁磁動(dòng)勢(shì)的大小等于電樞合成磁動(dòng)勢(shì)動(dòng)勢(shì)F Fa a在轉(zhuǎn)子磁極軸線上的投影，其最大值為在轉(zhuǎn)子磁極軸線上的投影，其最大值為特種電機(jī)及其控制36admsin2 sin2sin222mmmaawFFFIWK式中F 每相繞組的磁動(dòng)勢(shì)；W每相繞組的串聯(lián)匝數(shù)； Kw繞組系數(shù)。 特種電機(jī)及其控制37特種電機(jī)及其控制3822222STaSTeeeeTUUrIUUrnTCCCC機(jī)械特性曲線 為為 rUUCICTTTstTst22特種電機(jī)及其控制39調(diào)節(jié)特性 調(diào)節(jié)特性的

14、始動(dòng)電壓和斜率分別為調(diào)節(jié)特性的始動(dòng)電壓和斜率分別為TTeUCrTU220eCK1特種電機(jī)及其控制40工作特性 :實(shí)驗(yàn)值 ：設(shè)計(jì)值 120W樣機(jī)效率特性 特種電機(jī)及其控制41轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)定義為轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)定義為 maxmin100%rNTTTT(1)(1)電磁因素引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)電磁因素引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)(2)(2)換相引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)換相引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) ；(3)(3)定子齒槽引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；定子齒槽引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；(4)(4)電樞反應(yīng)的影響電樞反應(yīng)的影響 ；(5)(5)機(jī)械工藝引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)機(jī)械工藝引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) 特種電機(jī)及其控制42特種電機(jī)及其控制431 1、 開關(guān)主電路開關(guān)主電路特種電機(jī)及其控制44 驅(qū)動(dòng)

15、電路驅(qū)動(dòng)電路將控制電路的輸出信號(hào)進(jìn)行功率放將控制電路的輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大，并向各開關(guān)管送去能使其飽和導(dǎo)通和可大，并向各開關(guān)管送去能使其飽和導(dǎo)通和可靠關(guān)斷的驅(qū)動(dòng)信號(hào)?？筷P(guān)斷的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路的工作方式直接影響著開關(guān)管的一驅(qū)動(dòng)電路的工作方式直接影響著開關(guān)管的一些參數(shù)和特性，從而影響著整個(gè)電機(jī)控制系些參數(shù)和特性，從而影響著整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)的正常工作。統(tǒng)的正常工作。開關(guān)管的種類不同，對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的要求也不開關(guān)管的種類不同，對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的要求也不同，因而對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路也不同。同，因而對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路也不同。特種電機(jī)及其控制45常見集成驅(qū)動(dòng)電路常見集成驅(qū)動(dòng)電路特種電機(jī)及其控制46控制電路是無刷直流電動(dòng)機(jī)正常

16、運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)各種調(diào)速控制電路是無刷直流電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心，它主要完成以下功能：伺服功能的指揮中心，它主要完成以下功能：1)對(duì)轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號(hào)、對(duì)轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號(hào)、PWM調(diào)制信號(hào)、正調(diào)制信號(hào)、正反轉(zhuǎn)和停車反轉(zhuǎn)和停車信號(hào)進(jìn)行邏輯綜合信號(hào)進(jìn)行邏輯綜合, 給驅(qū)動(dòng)電路提供各開關(guān)給驅(qū)動(dòng)電路提供各開關(guān)管的斬波和選通信號(hào)管的斬波和選通信號(hào), 實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及停車控制。實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及停車控制。2)產(chǎn)生產(chǎn)生PWM調(diào)制信號(hào)，使電機(jī)的電壓隨給定速度信號(hào)調(diào)制信號(hào)，使電機(jī)的電壓隨給定速度信號(hào)而自動(dòng)變化，實(shí)現(xiàn)電機(jī)開環(huán)調(diào)速。而自動(dòng)變化，實(shí)現(xiàn)電機(jī)開環(huán)調(diào)速。3)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行速度閉環(huán)

17、調(diào)節(jié)和電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，使系對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行速度閉環(huán)調(diào)節(jié)和電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。4)實(shí)現(xiàn)短路、過流和欠壓等故障保護(hù)功能等。實(shí)現(xiàn)短路、過流和欠壓等故障保護(hù)功能等。特種電機(jī)及其控制47控制電路的形式控制電路的形式:1、分立元件全模擬電路、分立元件全模擬電路經(jīng)濟(jì)型經(jīng)濟(jì)型2、專用集成控制電路、專用集成控制電路 規(guī)?；?、專用規(guī)?；?、專用3、數(shù)?；旌峡刂齐娐?、數(shù)?；旌峡刂齐娐?半數(shù)字化半數(shù)字化 (PID)4、全數(shù)字控制電路、全數(shù)字控制電路 高性能高性能(MCU DSP)特種電機(jī)及其控制48 速速度度給給定定 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向向設(shè)設(shè)定定 ACH0 WG1 WG1 WG2 W

18、G2 WG3 WG3 柵柵極極 驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng) 電電路路 IR2130 IGBT 位位置置傳傳感感器器 P0.1 逆逆 變變 器器 BLDCM EPA P0.2 P0.3 P0.4 80C196MC 過過電電壓壓、過過電電流流保保護(hù)護(hù)電電路路 中中斷斷 特種電機(jī)及其控制49 速速度度給給定定 鍵鍵 盤盤 ADCINx PWM1 | PWM6 柵柵極極 驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng) 電電路路 IR2130 IGBT I/O 逆逆 變變 器器 BLDCM ADCINx 或或 CAPx DSP TMS320LF2407 保保護(hù)護(hù)電電路路 PDPINT 位位置置檢檢測(cè)測(cè) 電電流流檢檢測(cè)測(cè) ADCINx 特種電機(jī)及其控制50v在

19、電動(dòng)車中的應(yīng)用在電動(dòng)車中的應(yīng)用特種電機(jī)及其控制51特種電機(jī)及其控制52特種電機(jī)及其控制53v在計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用在計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用 轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)速為360rpm，穩(wěn)速精度為，穩(wěn)速精度為0.1%，運(yùn)，運(yùn)行壽命行壽命1000h以上。以上。 特種電機(jī)及其控制54v在計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用在計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用 轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)速為4500/5400/7500/10000rpm，穩(wěn)速精度，穩(wěn)速精度為為0.1%，平均無故障時(shí)間，平均無故障時(shí)間4萬萬h以上。磁頭與盤以上。磁頭與盤面距離面距離0.3-0.1m。 特種電機(jī)及其控制55v在計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用在計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用 特種電機(jī)及其控制56v在家用電器中的應(yīng)用在家用電器中的應(yīng)用 家用電器總的

20、發(fā)展趨勢(shì)是低噪聲、節(jié)能型、智能化，對(duì)配套的家用電器總的發(fā)展趨勢(shì)是低噪聲、節(jié)能型、智能化，對(duì)配套的電動(dòng)機(jī)提出了更高的要求。面對(duì)這些要求，傳統(tǒng)的單相異步電機(jī)往電動(dòng)機(jī)提出了更高的要求。面對(duì)這些要求，傳統(tǒng)的單相異步電機(jī)往往不能很好地滿足，往不能很好地滿足， 為無刷直流電機(jī)的應(yīng)用提供了機(jī)會(huì)。以空調(diào)用為無刷直流電機(jī)的應(yīng)用提供了機(jī)會(huì)。以空調(diào)用風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)為例：風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)為例：特種電機(jī)及其控制57v在工業(yè)中的應(yīng)用在工業(yè)中的應(yīng)用 與其他類型電動(dòng)機(jī)相比，無刷直流電動(dòng)機(jī)具與其他類型電動(dòng)機(jī)相比，無刷直流電動(dòng)機(jī)具有以下優(yōu)勢(shì)：有以下優(yōu)勢(shì)： （1）動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；）動(dòng)態(tài)響應(yīng)快； （2）控制性能好；）控制性能好； （3）體積小、重量輕；）體積小、重量輕； （4）效率高。）效率高。特種電機(jī)及其控制58v在醫(yī)療器械中的應(yīng)用在醫(yī)療器械中的應(yīng)用