溫故知新(wēngùzhīxīn)1、直流伺服電動機工作原理，換向器和電刷的作用？（P35）2、交流(jiāoliú)同步伺服電動機工作原理（P54）第一頁，共76頁。直流伺服電機交流(jiāoliú)伺服電機第二頁，共76頁。第7章無刷直流電動機(dòngjī)

BrushlessDCMotors(BLDCMs)第三頁，共76頁。47.1無刷直流電動機(dòngjī)系統(tǒng)7.1.1概述(ɡàishù)及基本組成無刷：克服傳統(tǒng)直流電動機機械(jīxiè)換向方式缺點優(yōu)點：調(diào)速性能好，體積小質(zhì)量輕，效率高，轉(zhuǎn)動慣量小，無勵磁損耗應(yīng)用領(lǐng)域：航空航天，機器人，數(shù)控機床等精密傳動領(lǐng)域第四頁，共76頁。57.1無刷直流電動機(dòngjī)系統(tǒng)7.1.1概述及基本(jīběn)組成無刷直流電機構(gòu)成(gòuchéng)框圖第五頁，共76頁。6無刷直流電動機(dòngjī)結(jié)構(gòu)(a)結(jié)構(gòu)示意圖

(b)定轉(zhuǎn)子實際結(jié)構(gòu)

1.電動機本體(běntǐ)第六頁，共76頁。7表面式磁極

嵌入式磁極

環(huán)形磁極

內(nèi)轉(zhuǎn)子(zhuànzǐ)結(jié)構(gòu)形式第七頁，共76頁。8實際電機

結(jié)構(gòu)示意圖

外轉(zhuǎn)子(zhuànzǐ)無刷直流電動機第八頁，共76頁。92.逆變器作用：控制電機定子(dìngzǐ)各相繞組通電順序和時間。分類：半橋式（半控）橋式（全控）第九頁，共76頁。102.逆變器b)四相半橋主電路

a)三相半橋主電路1)非橋式（半橋式）——半控型第十頁，共76頁。112.逆變器2)橋式——全控型c)星形聯(lián)結(jié)三相橋式主電路第十一頁，共76頁。122.逆變器d)三角形聯(lián)結(jié)(liánjié)三相橋式主電路2)橋式——全控型第十二頁，共76頁。13主電路選擇(xuǎnzé)原則繞組(ràozǔ)利用率：三相繞組(ràozǔ)優(yōu)于四相、五相繞組(ràozǔ)轉(zhuǎn)矩脈動(màidòng)：相數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩脈動(màidòng)越小電路成本：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)用最多第十三頁，共76頁。3.位置(wèizhi)傳感器位置(wèizhi)傳感器：實時檢測轉(zhuǎn)子位置(wèizhi)第十四頁，共76頁。153.位置(wèizhi)傳感器位置(wèizhi)傳感器有位置(wèizhi)傳感器檢測無位置傳感器檢測磁敏式光電式電磁式接近開關(guān)式正余弦變壓器編碼器反電動勢檢測續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測定子三次諧波檢測瞬時電壓方程法第十五頁，共76頁。164.控制器控制器模擬(mónǐ)控制系統(tǒng)數(shù)字(shùzì)控制系統(tǒng)分立元件加少量集成電路構(gòu)成(gòuchéng)的模擬控制系統(tǒng)基于專用集成電路的控制系統(tǒng)

數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng)

全數(shù)字控制系統(tǒng)

控制器是無刷直流電動機正常運行并實現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心

第十六頁，共76頁。17逆變器、位置(wèizhi)傳感器與控制器控制器：無刷直流電動機正常運行并實現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮(zhǐhuī)中心位置傳感器：實時(shíshí)檢測轉(zhuǎn)子位置逆變器：控制電機定子各相繞組通電順序和時間三者共同組成換相裝置，起到電子換向器作用第十七頁，共76頁。18永磁無刷直流

電機(diànjī)系統(tǒng)圖控制電路對轉(zhuǎn)子(zhuànzǐ)位置傳感器檢測的信號進行邏輯變換后產(chǎn)生脈寬調(diào)制PWM信號，經(jīng)過驅(qū)動電路放大送至逆變器各功率開關(guān)管，從而控制電動機各相繞組按一定順序工作，在電機氣隙中產(chǎn)生跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場。7.1.2基本工作(gōngzuò)原理第十八頁，共76頁。19工作(gōngzuò)原理磁極圖示位置→位置信號→邏輯變換→V1、V6開通(kāitōng)→A、B相導(dǎo)通→I:E+-A-B-E-→電機順時針旋轉(zhuǎn)磁極轉(zhuǎn)過60o圖示位置→位置信號→邏輯變換→V1、V2開通(kāitōng)→A、C相導(dǎo)通→I:E+-A-C-E-→電機順時針旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60o，逆變器開關(guān)管換流一次、定子磁狀態(tài)改變一次，電機有6個磁狀態(tài)，三相各導(dǎo)通120o——兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)轉(zhuǎn)子磁場順時針連續(xù)旋轉(zhuǎn)、定子磁場隔60O跳躍旋轉(zhuǎn)——自同步電機第十九頁，共76頁。20兩相導(dǎo)通星形三相(sānxiānɡ)六狀態(tài)時繞組和開關(guān)管導(dǎo)通順序表第二十頁，共76頁。21無刷直流電動機(dòngjī)回顧1、系統(tǒng)(xìtǒng)組成及各部分作用

2、簡述工作原理第二十一頁，共76頁。227.2無刷直流電動機的主電路(diànlù)及其工作方式無刷直流電動機的主電路主要有星形聯(lián)結(jié)三相(sānxiānɡ)半橋式、星形聯(lián)結(jié)三相(sānxiānɡ)橋式和角形聯(lián)結(jié)三相(sānxiānɡ)橋式三種形式。7.2.1星形連接(liánjiē)三相半橋主電路第二十二頁，共76頁。23在三相半橋主電路(diànlù)中，位置信號有1/3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1/3周期，如圖所示。旋轉(zhuǎn)磁場在360電角度范圍內(nèi)有三種磁狀態(tài)，每種磁狀態(tài)持續(xù)120電角度。我們把這種工作方式(fāngshì)叫做單相導(dǎo)通星形三相三狀態(tài)。第二十三頁，共76頁。24三相三狀態(tài)(zhuàngtài)BLDCM原理傳感器：H1=1H2=0H3=1導(dǎo)通相：B第二十四頁，共76頁。25傳感器：H1=1H2=0H3=0導(dǎo)通相：B第二十五頁，共76頁。26傳感器：H1=1H2=1H3=0導(dǎo)通相：C第二十六頁，共76頁。27傳感器：H1=0H2=1H3=0導(dǎo)通相：C第二十七頁，共76頁。28傳感器：H1=0H2=1H3=1導(dǎo)通相：A第二十八頁，共76頁。29傳感器：H1=0H2=0H3=1導(dǎo)通相：A第二十九頁，共76頁。30傳感器：H1=1H2=0H3=1導(dǎo)通相：B第三十頁，共76頁。317.2.2星形連接三相(sānxiānɡ)橋式主電路位置檢測器的三個輸出信號通過邏輯電路控制這些開關(guān)(kāiguān)管的導(dǎo)通和截止，其控制方式有兩種：二二導(dǎo)通方式和三三導(dǎo)通方式。第三十一頁，共76頁。321.二二導(dǎo)通方式(fāngshì)電機的瞬時電磁轉(zhuǎn)矩可由電樞繞組(ràozǔ)的電磁功率求得：式中 Ea、Eb、Ec———A、B、C三相繞組的反電動勢； ia、ib、ic———A、B、C三相繞組的電流(diànliú)； ——轉(zhuǎn)子的機械角速度?？梢姡姶呸D(zhuǎn)矩取決于反電動勢的大小。在一定的轉(zhuǎn)速下，如果電流一定，反電動勢越大，轉(zhuǎn)矩越大。每一瞬間只有兩個功率管導(dǎo)通第三十二頁，共76頁。33工作(gōngzuò)原理磁極圖示位置→位置信號→邏輯變換(biànhuàn)→V1、V6開通→A、B相導(dǎo)通→I:E+-A-B-E-→電機順時針旋轉(zhuǎn)磁極轉(zhuǎn)過60o圖示位置→位置信號→邏輯變換(biànhuàn)→V1、V2開通→A、C相導(dǎo)通→I:E+-A-C-E-→電機順時針旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60o，逆變器開關(guān)管換流一次、定子磁狀態(tài)改變一次，電機有6個磁狀態(tài)，三相各導(dǎo)通120o——兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)轉(zhuǎn)子磁場順時針連續(xù)旋轉(zhuǎn)、定子磁場隔60O跳躍旋轉(zhuǎn)——自同步電機第三十三頁，共76頁。34兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)時繞組(ràozǔ)和開關(guān)管導(dǎo)通順序表第三十四頁，共76頁。35三相繞組的反電動勢波形(bōxínɡ)及其二二導(dǎo)通方式下的導(dǎo)通規(guī)律第三十五頁，共76頁。2.三三導(dǎo)通方式(fāngshì)每一瞬間有三個功率管同時(tóngshí)導(dǎo)通第三十六頁，共76頁。372.三三導(dǎo)通方式(fāngshì)三相(sānxiānɡ)繞組的反電動勢波形及其三三導(dǎo)通方式下的導(dǎo)通規(guī)律第三十七頁，共76頁。387.3無刷直流電動機的電樞(diànshū)反應(yīng)電動機負載時電樞繞組產(chǎn)生(chǎnshēng)的磁場對主磁場的影響稱為電樞反應(yīng)。電樞繞組的合成(héchéng)磁動勢變化如下圖所示如圖所示，電樞磁動勢的直軸分量Fad對轉(zhuǎn)子主磁極產(chǎn)生最大去磁作用

第三十八頁，共76頁。39如圖所示，電樞磁動勢的直軸分量Fad對轉(zhuǎn)子(zhuànzǐ)主磁極產(chǎn)生最大增磁作用。可見，在一個磁狀態(tài)(zhuàngtài)范圍內(nèi)，電樞磁動勢在剛開始為最大去磁，然后去磁磁動勢逐漸減小；在1/2磁狀態(tài)(zhuàngtài)時既不去磁也不增磁；在后半個磁狀態(tài)(zhuàngtài)內(nèi)增磁逐漸增大，最后達到最大值。增磁和去磁磁動勢的大小等于電樞合成磁動勢Fa在轉(zhuǎn)子磁極軸線上的投影，其最大值為第三十九頁，共76頁。40式中 F——每相繞組(ràozǔ)的磁動勢； W——每相繞組(ràozǔ)的串聯(lián)匝數(shù)；Kw——繞組(ràozǔ)系數(shù)。由于在無刷直流電動機中磁狀態(tài)角比較大，直軸電樞反應(yīng)磁動勢可以達到相當(dāng)大的數(shù)值，為了避免使永磁體發(fā)生永久失磁，在設(shè)計時必須予以(yǔyǐ)注意。第四十頁，共76頁。417-4無刷直流電動機基本(jīběn)公式與數(shù)學(xué)模型無刷直流電機的磁場、電勢、電流(diànliú)波形方波電動機——梯形波反電勢與方波電流(diànliú)第四十一頁，共76頁。427.4.1無刷直流電動機(dòngjī)的數(shù)學(xué)模型假設(shè)(jiǎshè)(1)電動機的氣隙磁感應(yīng)強度在空間呈梯形(近似為方波)分布；(2)定子齒槽的影響(yǐngxiǎng)忽略不計；(3)電樞反應(yīng)對氣隙磁通的影響(yǐngxiǎng)忽略不計；(4)忽略電機中的磁滯和渦流損耗；(5)三相繞組完全對稱。直接利用電動機本身的相變量來建立數(shù)學(xué)模型

第四十二頁，共76頁。43三相繞組的電壓平衡(pínghéng)方程為定子相繞組電壓定子相繞組電流定子相繞組自感、互感定子相繞組電動勢微分算子第四十三頁，共76頁。44當(dāng)三相繞組為Y連接，且沒有(méiyǒu)中線，則：ia+ib+ic=0Mia+Mib=-MicMib+Mic=-MiaMia+Mic=-Mib所以得電壓(diànyā)方程：第四十四頁，共76頁。45無刷直流電動機(dòngjī)的等效電路如圖所示第四十五頁，共76頁。467.4.2無刷直流電動機(dòngjī)的反電動勢無刷直流電動機氣隙磁密及反電動勢(fǎndiàndònɡshì)波形如下圖所示第四十六頁，共76頁。47設(shè)電樞繞組導(dǎo)體(dǎotǐ)的有效長度為La，導(dǎo)體(dǎotǐ)的線速度為v，則單根導(dǎo)體(dǎotǐ)在氣隙磁場中感應(yīng)的電動勢為

(V)(m/s)如電樞(diànshū)繞組每相串聯(lián)匝數(shù)為W，則每相繞組的感應(yīng)電動勢幅值為第四十七頁，共76頁。487.4.3無刷直流電動機穩(wěn)態(tài)性能(xìngnéng)的動態(tài)模擬依據(jù)基爾霍夫定律，可得換相過程中的電路(diànlù)方程為續(xù)流結(jié)束后，換相完成(wánchéng)，電路方程變?yōu)椋阂陨蟽墒綐?gòu)成了無刷直流電動機的線電壓模型

第四十八頁，共76頁。497.4.4無刷直流電動機穩(wěn)態(tài)性能的簡化(jiǎnhuà)分析為了簡化分析，假設(shè)(jiǎshè)不考慮開關(guān)器件動作的過渡過程，并忽略電樞繞組的電感。這樣，無刷直流電動機的電壓方程可以簡化為：式中 UT——開關(guān)器件的管壓降； Ia——電樞電流；E——線電動勢，即電機(diànjī)的反電動勢。第四十九頁，共76頁。50對于三相六狀態(tài)(zhuàngtài)無刷直流電動機，任一時刻都有兩相繞組導(dǎo)通，故電機的反電動勢為式中 Ce——電機(diànjī)的電動勢常數(shù)，電樞(diànshū)繞組的電流為在任一時刻，電機的電磁轉(zhuǎn)矩由兩相繞組的合成磁場和轉(zhuǎn)子磁場相互作用產(chǎn)生，則

第五十頁，共76頁。51電機(diànjī)的轉(zhuǎn)速為空載(kōnɡzǎi)轉(zhuǎn)速為電動勢系數(shù)(xìshù)為轉(zhuǎn)矩系數(shù)為第五十一頁，共76頁。527-5無刷直流電動機(dòngjī)的運行特性7.5.1機械(jīxiè)特性機械特性曲線

堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為

第五十二頁，共76頁。53調(diào)節(jié)特性7.5.2調(diào)節(jié)(tiáojié)特性調(diào)節(jié)(tiáojié)特性的始動電壓和斜率分別為第五十三頁，共76頁。547-6無刷直流電動機(dòngjī)轉(zhuǎn)子位置信號的檢測7.6.1轉(zhuǎn)子(zhuànzǐ)位置傳感器磁敏式位置(wèizhi)傳感器——霍爾元件電磁式位置(wèizhi)信感器——高頻線圈光電式位置(wèizhi)信感器——光耦合器件第五十四頁，共76頁。55置于磁場中的載流體，如果電流方向(fāngxiàng)與磁場垂直，則在垂直于電流和磁場的方向(fāngxiàng)會產(chǎn)生一附加的橫向電場，這個現(xiàn)象是霍普金斯大學(xué)研究生霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)的，后被稱為霍爾效應(yīng)?；魻柶骷曰魻栃?yīng)為其工作基礎(chǔ)，是一種磁傳感器。可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關(guān)的場合中使用?；魻杺鞲衅髦饕袃纱箢悾活?yīlèi)為開關(guān)型器件，一類(yīlèi)為線性霍爾器件。第五十五頁，共76頁。56HallIC霍爾元件磁電轉(zhuǎn)換HallIC霍爾元件功能方框圖第五十六頁，共76頁。57HallIC安裝(ānzhuāng)方式第一種方式：將霍爾元件粘貼于電機端蓋內(nèi)表面，靠近霍爾元件并與之有一小(yīxiǎo)間隙處，安裝著與電機軸同軸的永磁體。第二種方式：直接(zhíjiē)將霍爾元件敷貼在定子電樞鐵心氣隙表面或繞組端部緊靠鐵心處，利用電機轉(zhuǎn)子上的稀土磁體主極作為傳感器的水滋體，根據(jù)霍爾元件的輸出信號即可判斷轉(zhuǎn)子磁極的位置，將信號放大處理后便可驅(qū)動逆變器工作。第五十七頁，共76頁。58HallIC安裝(ānzhuāng)示意圖1、三個霍爾元件在空間依次相差(xiānɡchà)120o電角度2、傳感器磁極與轉(zhuǎn)子磁極同軸旋轉(zhuǎn)、極數(shù)相等、極性相對應(yīng)第五十八頁，共76頁。59電磁式位置傳感器的定子由磁芯、高頻激磁繞組和輸出繞組組成，轉(zhuǎn)子由扇形磁芯和非導(dǎo)磁襯套組成定、轉(zhuǎn)子磁芯均由高頻導(dǎo)磁材料(如軟磁鐵氧體)制成。電機運行時，輸入繞組中通以高頻激磁電流，當(dāng)轉(zhuǎn)子扇形磁芯處在輸出繞組下面時，輸入和輸出繞組通過定、轉(zhuǎn)子磁芯耦臺，輸出繞組中則感應(yīng)(gǎnyìng)出高頻信號，經(jīng)濾波整形和邏輯處理后，即可控制逆變器開關(guān)管。第五十九頁，共76頁。60優(yōu)點1：電磁式傳感器具有較高的強度，可經(jīng)受較大的振動沖擊，故多用于航空航天領(lǐng)域。優(yōu)點2：電磁式位置傳感器輸出信號較大，一般不需要經(jīng)過放大便可直接驅(qū)動開關(guān)管，但因輸出電壓是交流，必須先整流。缺點：傳感器過于笨重復(fù)雜(fùzá)，因而大大限制了其在普通條件下的應(yīng)用。第六十頁，共76頁。61(a)光電傳感器電路原理圖

(b)4極電機所用的遮光盤

對于兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)無刷直流電動機，三個光電開關(guān)在空間依次相差120電角度，光電開關(guān)與電樞繞組的相對位置以及遮光盤與轉(zhuǎn)子(zhuànzǐ)磁極的相對位置類似于霍爾位置傳感器。光電式位置(wèizhi)傳感器是由裝在電機轉(zhuǎn)子上的遮光盤和固定不動的光電開關(guān)組成的，其原理如圖(a)所示。遮光盤上開有180°電角度的扇形開口，扇形開口的數(shù)目等于無刷直流電動機轉(zhuǎn)子磁極的極對數(shù)，4極電機所用遮光盤如圖(b)所示；光電開關(guān)通常采用將發(fā)光二極管和光敏三極管封裝在一起的光斷續(xù)器。第六十一頁，共76頁。控制(kòngzhì)電機總結(jié)步進電機(diànjī)自整角機測速發(fā)電機直流交流(jiāoliú)伺服電動機直流

交流無刷直流電動機第六十二頁，共76頁。大作業(yè)(zuòyè)要求題目：控制電機分析內(nèi)容：1、概述2、結(jié)構(gòu)、工作原理3、運行方式（控制方式）4、應(yīng)用(yìngyòng)舉例頁數(shù)要求：至少8頁（A4）格式要求：1、封皮2、目錄3、正文4、參考文獻第六十三頁，共76頁。目錄標(biāo)題“目錄”（三號、黑體(hēitǐ)、居中）章標(biāo)題（四號、黑體(hēitǐ)、居左）節(jié)標(biāo)題（小四、宋體）頁碼（小四、宋體）正文章標(biāo)題（三號、黑體(hēitǐ)、居中）節(jié)標(biāo)題（四號、黑體(hēitǐ)、居左）正文（小四號、宋體）第六十四頁，共76頁。電樞繞組在磁場中轉(zhuǎn)動產(chǎn)生感應(yīng)電勢(diànshì)，經(jīng)換向器變換后，輸出與轉(zhuǎn)速成正比的直流電壓。工作(gōngzuò)原理1直流測速發(fā)電機第六十五頁，共76頁。直流測速發(fā)電機原理(yuánlǐ)電路電壓(diànyā)平衡方程式1直流測速發(fā)電機第六十六頁，共76頁。直流測速發(fā)電機輸出特性不同負載(fùzài)時的理想輸出特性1直流測速發(fā)電機第六十七頁，共76頁。工作(gōngzuò)原理勵磁繞組(ràozǔ)輸出繞組(ràozǔ)空心杯形轉(zhuǎn)子感應(yīng)(gǎnyìng)測速發(fā)電機工作原理2交流測速發(fā)電機第六十八頁，共76頁。工作(gōngzuò)原理實質(zhì)(shízhì)：他勵