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第8章 控制电机 2(电机及拖动基础)


第四节 直流无刷电动机 无刷直流电动机(Brushless DC Motor,简称 BLDCM)是集永磁电动机、微处理器、功率逆变器、 检测元件、控制软件和硬件于一体的新型机电一体化产 品,它采用功率电子开关(如GTR、MOSFET、 IGBT)和位置传感器代替电刷和换向器,既保留了直 流电动机良好的运行特性,又具有交流电动机结构简 单、维护方便和运行可靠等特点,在航空航天、数控

装 置、机器人、计算机外设、汽车电器、电动车辆和家用 电器的驱动中获得越来越广泛的应用。

一、结构 输出

直流电源

逆变器

无刷直流 电动机

指令输入 控制器 位置传感器

BLDCM的系统组成

1、电动机本体 定子为电枢 转子为永磁材料,钐钴(SmCo) 钕铁硼(NdFeB) 机座

内转子 外转子

转子结构形式

2、位置传感器 在无刷直流电动机中,常 用的有:电磁式,磁敏式,光 电式。 (1)电磁式:利用电磁效应 有开口变压器、铁磁谐振电路 、接近开关等,较多用开口开口变压器。 开口变压器:定子由磁芯、激磁绕组和输出 绕组组成,转子由非磁性圆盘和扇形导磁片组 成,转子与电机轴同轴连接。

扇形导磁片的个数与电机 转子磁极的极对数相等。定子 磁心共有6个极,在空间均匀 分布。其中三个极上的绕组串 联起来,通以高频激磁电流; 另外三个极上的绕组相互独 立,在空间彼此相差120o,作 为传感器的输出。 当转子处于图所示的位置时,高频磁通通过 转子上的导磁材料耦合到绕组WA上,在绕组上 产生感应电压UA。而其他两个绕组WB 、 WC 因 为不能形成磁耦合回路,感应电压基本为0。

随着电机旋转,位置传感器上分别依次感应出 UA、UB、UC,三个电压信号。输出信号经整流 和滤波后,即可用于控制逆变器开关管。 优点:输出信号大、工作可靠、寿命长、适 应性强、对环境要求不高等,多用于航空航天领 域。 缺点:体积较大,信噪比较低,输出波形为 交流,一般需经整流、滤波方可使用,因而限制 了它在普通条件下的应用。

(2)磁敏式位置传感器。 常见的磁敏式位置传感器是 由霍尔元件或霍尔集成电路 构成的。结构简单、性能可 靠、成本低,目前在无刷直 流电动机上应用最多。
霍尔效应原理如图所示,在长方形半导体薄片上通 以电流IH,当将半导体薄片置于外磁场中,并使其与外 磁场垂直时,则在与电流IH和磁感应强度B构成的平面 相垂直的方向上会产生一个电动势EH,称其为霍尔电动 势,其大小为: EH=KH IH B

霍尔元件所产生 的电动势很低,在应 用时需要外接放大 器。随着半导体技术 的发展,将霍尔元件 与附加电路封装为三 端模块,构成霍尔集 成电路。 霍尔集成电路有开关型和线性型两种类型。通常采 用开关型霍尔集成电路作为位置传感元件。简称霍尔 开关,其外形像一只普通晶体管,如图(a),其应用电 路如图(b)所示。

使用霍尔开关构成位置传感器通常有两种方 式。 第一种方式是将霍尔开关粘贴于电机端盖内 表面,在靠近霍尔开关并与之有一定间隙处,安 装着与电机轴同轴的永磁体。 第二种方式是直接将霍尔开关敷贴在定子电 枢铁心表面或绕组端部紧靠铁心处,利用电机转 子上的永磁体主磁极作为传感器的永磁体,根据 霍尔开关的输出信号即可判定转子位置。

对于两相导通星形三相六状态无刷直流电动 机,三个霍尔开关在空间彼此相隔120o电角度, 传感器永磁体的极弧宽度为180o电角度,这样, 当电机转子旋转时,三个霍尔开关便交替输出三 个宽为180o电角度、相位互差120o电角度的矩形 波信号。 霍尔开关的安装精度对于无刷直流电动机的 运行性能有较大的影响,在安装时不但要保证三 个霍尔开关在空间彼此相差120o电角度,同时还 必须保证霍尔开关与绕组的相对位置正确,二者 相对位置不同,换相逻辑亦随之不同。

两相导通星形三相六 状态无刷直流电动机的霍 尔位置传感器与电枢绕 组、转子磁极的相对位置 如图所示,三个霍尔开关 HA、HB、HC分别位于三 相绕组各自的中心线上,传感器磁体可以是主磁 极磁体数的一半,其极性均为S极或N极(视霍尔 开关的要求而定),并与同极性的主磁极在空间处 于对等位置。

图给出了三个位 置传感器的输出信号 (图中阴影部分)与三 相电枢绕组反电动势 之间的相位关系。可 见,在一个电周期 内,三路位置信号共 有六种不同组合,分 别对应电机的六种工 作状态。

(3)光电式位置传感器。由装在电机转子上的遮光盘和 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180o电角度的扇形开口,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。
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 120o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。

3、逆变器 将直流电转换成交流电向电动机供电。与一 般逆变器不同,输出频率不是独立调节,而是受 控于转子的位置信号,是“自控式逆变器”。无刷 直流电动机输入电流的频率和电动机的转速始终 保持同步,电动机和逆变器不会产生振荡和失 步,这是优点之一。 主电路有桥式和非桥式,电枢绕组可解成星 形或角形,因此电枢绕组与逆变器的连接有多种 不同的组合。

4、控制器主要功能 (1)对转子位置传感器输出的信号、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,实现电动机的正反转及停 车控制。 (2)产生PWM调制信号,供电动机的电压随给定速度 信号而变化,实现电动机开环调速。 (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、过电压和欠电压等故障 保护功能。

二、工作原理

在图(a)到图(b)的60o电角度范围内,转子磁场沿顺 时针连续旋转,而定子合成磁场在空间保持图(a)中Fa 的位置静止。只有当转子磁场连续旋转60o电角度,到 达图(b)所示的Fr位置时,定子合成磁场才从图(a)的Fa 位置跳跃到图(b)中的Fa位置。可见,定子合成磁场在 空间不是连续旋转的,而是一种跳跃式旋转磁场,每 个步进角是60o电角度。 转子在空间每转过60o电角度,定子绕组就进行一 次换流,定子合成磁场的磁状态就发生一次跃变。可 见,电机有六种磁状态,每一状态有两相导通,每相 绕组的导通时间对应于转子旋转120o电角度。

无刷直流电动机的这种工作方式称为两相导通星 形三相六状态,这是无刷直流电动机最常用的一种工 作方式。 由于定子合成磁势每隔1/6周期(60o电角度)跳跃前 进一步,在此过程中,转子磁极上的永磁磁势却是随 着转子连续旋转的,这两个磁势之间平均速度相等, 保持“同步”,但是瞬时速度却是有差别的,二者之间 的相对位置是时刻有变化的,所以,它们相互作用下 所产生的转矩除了平均转矩外,还有脉动分量。

三、运行特性
无刷直流电动机的基本物理量有反电动势、电枢电 流、电磁转矩和转速等。这些物理量的表达式与电动机 的气隙磁场分布、绕组形式有着密切关系。气隙磁场的 波形可以分为方波、梯形波和正弦波,由磁路结构和永 磁体的形状决定。在无刷直流电动机中大量使用方波形 状的气隙磁场。理想波形如图所示。
B Bm

0 π



当定子绕组采用集中整距绕组时,方波磁场在定 子绕组中感应的电动势为梯形波。具有方波气隙 磁感应强度分布,梯形波反电动势的无刷直流电 动机称为方波电动机。 方波电动机在控制时采用方波电流驱动,由 逆变器向方波电动机提供三相对称的,宽度为 120o电角度的方波电流。对于三相星形六状态无 刷直流电动机,方波气隙磁感应强度在空间的宽 度应大于120o电角度,在定子绕组中感应的反电 动势的平顶宽度也应大于120o电角度,方波电流 的宽度为120o电角度,方波电流与电动势同相 位。

e, i
Em im 7π/6 0 π/6 5π/6 π 11π/6 2π

ωt

三、无刷直流电动机的特点 1、与感应电动机相比,无刷直流电动机具有更大 的功率密度、更高的效率和更好的控制性能。主 要表现在: (1) 采用高性能永磁材料,转子体积得以减 小,可以具有较低的惯性、更快的响应速度、更 高的转矩/惯量比。 (2) 没有转子损耗,也无需定子励磁电流分 量,具有较高的效率和功率密度。对同等容量输 出,感应电动机需更大功率的整流器和逆变器。

(3) 没有转子发热,无需考虑转子冷却问题 (4)尽管感应电动机系统应用较为普遍和成 熟,但由于其非线性本质,控制系统极为复杂。 永磁同步电动机把交流电动机复杂的磁场定向控 制转化为转子位置定向控制,而无刷直流电动机 则进一步将其简化为离散六状态的转子位置控 制,也无需坐标变换。

2、与有刷直流电动机相比,有以下特点: (1)可靠性高,寿命长。它的工作期限主要 取决于轴承及其润滑系统。高性能的无刷直流电 动机工作寿命可达数十万小时。而有刷直流电动 机寿命一般较短,在高温环境下甚至只有几分 钟。 (2)不必经常进行维护和修理。 (3)无电气接触火花、无线电干扰少。 (4)可工作于高真空、不良介质环境。 (5)可在高转速下工作,专门设计的高速无 刷直流电动机的工作转速可达每分钟10万转以 上。

(6)机械噪声低。 (7)发热的绕组安放在定子上,有利于散热, 便于温度监控,易得到更高的功率密度。 (8)必须与一定的电子换向线路配套使用,从 而使总体成本增加,但从控制的角度看,有更大 的使用灵活性。

四、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。电枢反应与磁路的饱和程 度、电机的转向、电枢绕组的连接方式和逆变器 的通电方式有关。以两相导通星形三相六状态为 例分析无刷直流电动机电枢反应的特点。 设电动机工作在A相和B相绕组导通的磁状态 范围内,两相绕组在空间的合成磁动势Fa如图所 示。

电机工作在两相导通星形三相六状态时,每个磁状态持 续60o电角度,即磁状态角αm= 60o。转子顺时针旋转 时,对应于该磁状态的转子边界在图中I和II位置。电枢 磁动势Fa可分解为直轴分量Fad和交轴分量Faq。

当转子磁极轴线处于I位置时,如图(a)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。 当转子磁极轴线旋转到位置II时,如图(b)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。 当转子磁极轴线处于I和II位置的正中间时, 转子主磁极轴线和电枢合成磁动势Fa互相垂直, 电枢磁动势的直轴分量Fad等于0。 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。

增磁和去磁电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

Fadm = Fa sin

αm
2

= 2 F? sin

αm
2

= 2 I aW? K w sin

αm
2

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。

交轴电枢磁动势对主磁场的作用是使气隙磁 场波形发生畸变。对于永磁体为径向充磁的结 构,由于永磁体本身的磁阻很大,故交轴电枢磁 动势引起气隙磁场畸变较小,通常可不予考虑;对 于切向充磁的永磁体,由于转子主磁极极靴的磁 阻很小,故交轴电枢磁势可导致气隙磁场发生较 大畸变,使气隙磁场前极尖部分磁感应强度加 强,后极尖部分磁感应强度削弱。如果磁路不饱 和,则加强部分与削弱部分相等,反之,产生一 定的饱和去磁作用。此外,畸变的气隙磁场还将 引起转矩脉动增加。

五、基本公式 1、无刷直流电动机的数学模型 以两相导通星形三相六状态方式为例,分析 无刷直流电动机的数学模型。 由于无刷直流电动机的气隙磁场、反电动势 以及电流是非正弦的,采用直、交轴坐标变换已 不是有效的分析方法。因此我们直接利用电动机 本身的相变量来建立数学模型。 为了简明起 见,现做如下假设: (l)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。

由于转子的磁阻不随转子位置的变化而改 变,因此定子绕组的自感和互感为常数,则相绕 组的电压平衡方程可表示为:
?ua ? ? r 0 0? ?ia ? ? L ?u ? = ? 0 r 0 ? ?i ? + ? M ? b? ? ?? b ? ? ? ?uc ? ? ? ?0 0 r ? ?? ?ic ? ? ? ?M M L M M ? ?ia ? ?ea ? d ? ? ? ? ? M ? ?ib ? + ?eb ? dt L? ? ? ?ic ? ? ? ? ec ? ?

由于三相绕组为星形连接,ia+ib+ic=0,因此 Mia+Mib+Mic=0,所以上式可以变为:
?u a ? ? r 0 0? ?ia ? ? L ? M ?u ? = ? 0 r 0 ? ?i ? + ? 0 ? b? ? ?? b ? ? ? ?uc ? ? ? ?0 0 r ? ?? ?ic ? ? ? ? 0 0 L?M 0 ? ?ia ? ?ea ? d ? ? ? ? ? 0 ? ?ib ? + ?eb ? dt L?M? ? ? ?ic ? ? ? ? ec ? ? 0

由此可得无刷直流电动机的等效电路如图所示。

2、无刷直流电动机的反电动势 气隙主磁通密度Ba的分布波形如图 (a)所 示,当转子旋转速度为恒值时,定子每相绕组反 电动势波形与磁通密度分布波形应该一致,为了 简化分析,可将它近似为梯形波。为了减小转矩 脉动,反电动势波形的平顶宽度应大于等于120o 电角度。通常把相反电动势看成平顶宽为120o电 角度的梯形波,如图 (b)所示。三相绕组的反 电动势依次相差120o电角度。

无刷直流电动机气隙主磁通密度Ba的分布波形

无刷直流电动机的反电动势

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:

e = Bδ La v 2 prn v= n= 60 60

(V ) (m / s)

πD

如果电枢绕组每相串联绕组匝数为Wφ,则 每相绕组的感应电动势幅值为:

Em = 2W? e =

pW? 15α i

Φδ n = C Φδ n
' e

3、无刷直流电动机稳态性能 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。无刷直流电动机的电压方程可 以简化为:

U s ? 2U T = E + 2rI a
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:

E = 2 Em =

2 pW? 15α i

Φ δ n = Ce Φ δ n

电枢绕组的电流为:

U s ? 2U T ? E Ia = 2r
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:

2 Em I a EI a 4 pW? Te = = = Φ δ I a = CT Φ δ I a Ω Ω πα i

电机的转速为:

U s ? 2U T ? 2rI a n= Ce Φ δ 空载转速为:

利用同样的方法可以得到其他工作方式下无 刷直流电动机的电动势、转矩、转速等基本公 式。工作方式不同,基本公式不同。

U s ? 2U T U s ? 2U T U s ? 2U T n= = = 7.5α i 2 pW? Ce Φ δ pW? Φ δ Φδ 15α i

六、运行特性

U s ? 2U T ? 2rI a U s ? 2U T 2r ? n= = T 2 e Ce Φ δ Ce Φ δ CeCT Φ δ 机
1、 械 特 性

堵转转矩: Tst = CT Φ δ I st U s ? 2U T = CT Φδ 2r

2、调节特性 始动电压

2rTe U0 = + 2U T CT Φ δ

3、工作特性

4、转矩脉动

Tmax ? Tmin × 100% Tr = TN
原因: (l)电磁因素引起的转矩脉动。在理想情况下, 即当电枢为集中绕组结构,转子磁密在空间的分 布为180o的方波,电动势波形具有大于等于120o 电角度的平顶时,无刷直流电动机的转矩与转子 位置无关。但实际电机不能做到极弧系数为1, 且常常采用分布绕组,因此会引起转矩脉动。

(2)换相引起的转矩脉动。由于电枢绕组电感的 影响,换相时存在电流延迟,从而引起转矩脉 动。采用重叠换相控制可以抑制换相引起的转矩 脉动。 (3)定子齿槽引起的转矩脉动。由于定子齿槽的 存在,转子旋转时气隙磁阻发生变化,从而引起 转矩脉动。减少齿槽转矩脉动最常用的措施是采 用定子斜槽或转子斜极,也可以通过增大气隙或 采用分数槽绕组来减少齿槽转矩脉动,采用无槽 电机则可完全消除齿槽转矩脉动。

(4)电枢反应的影响。电枢反应对转矩脉动的影 响主要反应在以下两个方面:一方面电枢反应引起 气隙磁场畸变,导致转矩脉动;另一方面,在任一 磁状态内,相对静止的电枢反应磁场与连续旋转 的转子主极磁场相互作用而产生的电磁转矩因转 子位置的不同而发生变化。 为减小电枢反应对因气隙磁场畸变而产生的 转矩脉动影响,电机应选择径向充磁的瓦形或环 形永磁体结构或适当增大气隙。

(5)机械工艺引起的转矩脉动。机械加工和材料 的不一致也是引起转矩脉动的重要原因之一。如 工艺误差造成的单边磁拉力、摩擦转矩不均匀、 转子位置传感器的定位不准确、绕组各相电阻和 电感等参数不对称、各永磁体性能不一致等。提 高机械制造的工艺水平也是减小转矩脉动的重要 因素。

第五节 交流永磁同步电动机

第六节 磁阻同步电动机

第七节 步进电动机

第八节 超声波电动机

第九节 直线电动机


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