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四线直流电机接线图解直流电机的磁力方式分类

  永磁电机及其控制原理 第三讲永磁无刷直流电机 第三讲永磁无刷直流电机PMBLDCM permanent maget brushless DC motor 1.概述 – – – – – – 永磁有刷直流电机与传统他励直流电机特性类似 永磁无刷直流电机用电子换向器取代机械换向器 永磁体励磁不可调节 结构更加简单、维护方便、起动性能和调速性能优 功率密度高,体积小,广泛用于传动系统 机电一体化 第二讲永磁无刷直流电机 1.电机结构 第二讲永磁无刷直流电机 2.转子磁极结构 第二讲永磁无刷直流电机 2.转子磁极结构 第二讲永磁无刷直流电机 3.工作原理 第二讲永磁无刷直流电机 3.工作原理 第二讲永磁无刷直流电机 3.工作原理 第二讲永磁无刷直流电机 3.工作原理 第二讲永磁无刷直流电机 3.工作原理 第二讲永磁无刷直流电机 4.逆变器拓扑结构 第二讲永磁无刷直流电机 5.位置传感器 – 霍尔传感器 第二讲永磁无刷直流电机 5.位置传感器 – 光电传感器 第二讲永磁无刷直流电机 5.位置传感器 – 电磁式位置传感器 第二讲永磁无刷直流电机 6.永磁无刷电机的稳态计算 第二讲永磁无刷直流电机 6.永磁无刷电机的稳态计算 第二讲永磁无刷直流电机 6.永磁无刷电机的稳态计算 第二讲永磁无刷直流电机 6.永磁无刷电机的稳态计算 第二讲永磁无刷直流电机 6.永磁无刷电机的稳态计算 第二讲永磁无刷直流电机 6.永磁无刷电机的稳态计算 第二讲永磁无刷直流电机 6.永磁无刷电机的稳态计算 第二讲永磁无刷直流电机 7.永磁无刷直流电动机主要波形 第二讲永磁无刷直流电机 8.电机的暂态数学模型 – 由于稀土永磁无刷直流电动机的气隙磁场、反电 势以及电流是非正弦的,因此不能采用直、交铀 坐标变换的分析方法。通常,直接利用电动机本 身的相变量来建立数学模型。 第二讲永磁无刷直流电机 8.电机的暂态数学模型 – 假设不计磁路饱和,不计涡流和磁滞,三相对称,则其电压方 程为: ?ua ? ? R 0 0 ? ?ia ? ? L ?u ? = ? 0 R 0 ? ?i ? + ? M ? b? ? ?? b ? ? ?uc ? ? 0 0 R ? ?ic ? ? M ?? ? ? ? ? ? 定子、 相电 压 定子 相电 压 两相 绕组 互感 M L M 相绕 组自 感 M ? ?ia ? ?ea ? M ? p ?ib ? + ?eb ? ? ? ? ? ? L ? ?ic ? ?ec ? ? ? ? ? ? 微分 算子 相感 应电 势 第二讲永磁无刷直流电机 8.电机的暂态数学模型 – – 上述模型中,电流为三相对称方波、电势为梯形波. 对于表面式电机,转子磁阻不随转子位置变化,因此自感和互感为 常数 第二讲永磁无刷直流电机 8.电机的暂态数学模型 – 当三相绕组Y接,且没有中线,则: ia + ib + ic = 0, 并且:Mib + Mic = ? Mia 代入模型,有 : ?ua ? ? R ?u ? = ? 0 ? b? ? ?uc ? ? 0 ? ? ? 0 R 0 0 ? ?ia ? ? L ? M 0 ? ?ib ? + ? 0 ?? ? ? R ? ?ic ? ? 0 ?? ? ? 0 L?M 0 0 ? ?ia ? ?ea ? 0 ? p ?ib ? + ?eb ? ? ? ? ? ? L ? M ? ?ic ? ?ec ? ? ? ? ? ? 电磁转矩为:T = 1 ω (ea ia + ebib + ec ic ) 第二讲永磁无刷直流电机 8.电机的暂态数学模型 电磁功率为:Pe = (ea ia + ebib + ec ic ) dΩ 转子运动方程为:Te ? TL = J dt 第二讲永磁无刷直流电机 8.电机的暂态数学模型 – 根据电压方程可以建立等效电路模型: ?ua ? ? R ?u ? = ? 0 ? b? ? ?uc ? ? 0 ? ? ? 0 R 0 0 ? ?ia ? ? L ? M 0 ? ?ib ? + ? 0 ?? ? ? R ? ?ic ? ? 0 ?? ? ? 0 L?M 0 0 ? ?ia ? ?ea ? 0 ? p ?ib ? + ?eb ? ? ? ? ? ? L ? M ? ?ic ? ?ec ? ? ? ? ? ? 第二讲永磁无刷直流电机 8.电机的暂态数学模型 – 根据电压方程还常写成状态方程的形式: ?ua ? ? R ?u ? = ? 0 ? b? ? ?uc ? ? 0 ? ? ? 0 R 0 0 ? ?ia ? ? L ? M 0 ? ?ib ? + ? 0 ?? ? ? R ? ?ic ? ? 0 ?? ? ? 0 L?M 0 0 ? ?ia ? ?ea ? 0 ? p ?ib ? + ?eb ? ? ? ? ? ? L ? M ? ?ic ? ?ec ? ? ? ? ? ? ? 1 ?ia ? ? L ? M ?i ? = ? 0 p? b ? ? ?ic ? ? ? ? ? 0 ? ? 0 1 L?M 0 ? ? ??u ? R 0 0 ?i ? ?e ? ? ? a a ? ?? a ? ? ? 0 R 0 ? ?i ? ? ?e ? ? 0 ? * ??ub ? ? ? ? ? b ? ? b ?? ? ?? ? ? 1 ? ??uc ? ? 0 0 R ? ?ic ? ?ec ? ? ? ?? ? ? ? L?M ? ? 0 第二讲永磁无刷直流电机 9.永磁无刷电机的电枢反应 – – – – – – A、B相通电时产生电枢磁场Fa 转子磁场Fm在60度范围内不换相 Fa分解为d、q轴磁场 当转子磁场在B方向时去磁最大 当转子磁场在X方向时助磁最大 当转子磁场在BX中间位置时无去助磁 因此在一个60度的磁状态内,电枢磁场从最大去 磁逐渐减小到30度处的不去磁不助磁,然后逐渐 增大到最大助磁状态后,换相、进入新的一个磁 状态 第二讲永磁无刷直流电机 9.永磁无刷电机的电枢反应 助磁或去磁的最大值: Fad = Fa sin 30 0 = 0.5 Fa Fa = I a NkW q轴电枢反应使得主磁场波形畸变: 对于径向充磁的转子,由于q轴磁阻大,q轴磁场 引起的畸变较小 对于切向充磁的转子,由于q轴磁阻小,q轴磁场 引起的畸变较大,使得永磁体前极尖助磁,后极 尖去磁 第二讲永磁无刷直流电机 10.永磁无刷电机的运行特性 – 由于无刷永磁直流电机的稳态计算与直流机类似,所以其运行特性 也与直流机类似 10.1 机械特性: 第二讲永磁无刷直流电机 10.1 机械特性: 有刷直流电动机参与换向的绕组元件相对较少,只考虑电阻的影响,四线直流电机接线图解忽 略电感的作用。 无刷直流电动机.参与换向的绕组为一相绕组,而不是单个线圈,电感 较大。当稀土木磁无刷直流电动机采用不同的转子结构时,电感和电阻 对机械特性的影响并不相同: 当转子采用径向式结构,电机电感较小,电阻作 用较大,电机具有硬的机械特性。1 当转子采用切向式结构,电机电感较大,机械特 性较软。3 一般介于两者之间2 第二讲永磁无刷直流电机 10.1 机械特性: 不同供电电压下,径向式结 构的水磁无刷电机的机械持 性曲线簇 下弯是由于电 流大、管压降 增大 第二讲永磁无刷直流电机 10.2 调节特性 10.2 工作特性 从机械待性和调节持性可以看出,稀土永磁无刷直流电动机具有和一般有 刷直流电动机一样好的控制性能,可以通过改变电源电压实现无级调速。 第二讲永磁无刷直流电机 11. 永磁无刷直流电机转矩脉动 – – 转矩脉动是无刷电机在低速运行时的一项十分重要的性能 指标,通常高性能伺服系统的低速转矩脉动应小于3%。 造成转矩脉动的原因有: 电磁因素引起的转矩脉动 电流换向引起的转矩脉动 齿槽引起的转矩脉动 电枢反应影响 机械工艺引起的转矩脉动 第二讲永磁无刷直流电机 11.1 电磁因素引起的转矩脉动 电磁转矩脉动是由于定子电流和转子磁场相互作用而产生的转矩脉动。 它与气隙磁通密度的分布和电流的波形以及绕组的形式有直接的关系, 为了便于分析,假定: (1)忽略齿槽、换向过程和电枢反应等影响; (2)电枢绕组在定子内表面均匀连续分布; (3)电机为二相导通星形三相六状态工作 ,气隙磁场方波。 由于电机在每一个磁状态(60度电角度)内的电磁作用是相同的,故以 下仅分析一个磁状态的转矩变化情况。 第二讲永磁无刷直流电机 11.1 电磁因素引起的转矩脉动 方波磁场轴 线变化范围 一个磁状态 60度 方波宽: 120-180度 方波磁 场轴线 第二讲永磁无刷直流电机 11.1 电磁因素引起的转矩脉动 当a=90度时气隙磁场轴线 与通电绕组A、C空间轴 线重合,定转子磁场正 交,产生最大电磁转矩。 当a=60或120度时气隙磁 场,A、C相合成磁场, 对转子磁场产生最大直轴 去磁或增磁电枢反应、此 时电磁转矩为最小值。 第二讲永磁无刷直流电机 11.1 电磁因素引起的转矩脉动 第二讲永磁无刷直流电机 11.1 电磁因素引起的转矩脉动 第二讲永磁无刷直流电机 11.1 电磁因素引起的转矩脉动 第二讲永磁无刷直流电机 11.1 电磁因素引起的转矩脉动 第二讲永磁无刷直流电机 11.1 电磁因素引起的转矩脉动 第二讲永磁无刷直流电机 11.1 电磁因素引起的转矩脉动 第二讲永磁无刷直流电机 11.1 电磁因素引起的转矩脉动 第二讲永磁无刷直流电机 11.1 电磁因素引起的转矩脉动 第二讲永磁无刷直流电机 11.1 电磁因素引起的转矩脉动 第二讲永磁无刷直流电机 11.1 电磁因素引起的转矩脉动 反应了电磁转矩波动与方波磁密宽度的关 系,随宽度增加,转矩脉动单调下降。 当宽度=120时,转短脉动最大,达到30%; 当宽度=180时,电磁转矩脉动为零 第二讲永磁无刷直流电机 11.1 电磁因素引起的转矩脉动 第二讲永磁无刷直流电机 11.1 电磁因素引起的转矩脉动 第二讲永磁无刷直流电机 11.2电流换向引起的转矩脉动 无刷直流电动机每经过一个磁状态,定子绕组中的电流就要进行一次换 向。每一次换向,电机中的电流从一相转移到另一相,并对电磁转矩产生一 定影响。这种相电流换向也是引起转矩脉动的主要原因之一。 下面分析两相导通星形三相六状态方波无刷直流电动机的换向转矩脉动机理。 从AC到BC换相 第二讲永磁无刷直流电机 11.2电流换向引起的转矩脉动 用动态方程来分析换相过程对转矩的影响: ?ua ? ? R 0 0 ? ?ia ? ? L ? M ?u ? = ? 0 R 0 ? ?i ? + ? 0 ? b? ? ?? b ? ? ?uc ? ? 0 0 R ? ?ic ? ? 0 ?? ? ? ? ? ? 忽略电阻影响,设定: 0 L?M 0 ? ?ia ? ?ea ? ? p ?i ? + ?e ? ? ? b? ? b? L ? M ? ?ic ? ?ec ? ? ? ? ? ? 0 0 ?ua ? ? LM ?u ? = ? 0 ? b? ? ?uc ? ? 0 ? ? ? 0 LM 0 ? ?ia ? ?ea ? ? p ?i ? + ?e ? ? ? b? ? b? LM ? ?ic ? ?ec ? ? ? ? ? ? 0 0 第二讲永磁无刷直流电机 11.2电流换向引起的转矩脉动 用动态方程来分析换相过程对转矩的影响: 对于回路1: 回路1 第二讲永磁无刷直流电机 11.2电流换向引起的转矩脉动 用动态方程来分析换相过程对转矩的影响: 回路2 第二讲永磁无刷直流电机 11.2电流换向引起的转矩脉动 用动态方程来分析换相过程对转矩的影响: 第二讲永磁无刷直流电机 11.2电流换向引起的转矩脉动 第二讲永磁无刷直流电机 11.2电流换向引起的转矩脉动 A(0,I) B(0,0) 第二讲永磁无刷直流电机 11.2电流换向引起的转矩脉动 第二讲永磁无刷直流电机 11.2电流换向引起的转矩脉动 第二讲永磁无刷直流电机 11.2电流换向引起的转矩脉动 第二讲永磁无刷直流电机 11.2电流换向引起的转矩脉动 C相反向通 电,ec为负值 第二讲永磁无刷直流电机 11.2电流换向引起的转矩脉动 (3-69) 第二讲永磁无刷直流电机 11.2电流换向引起的转矩脉动 第二讲永磁无刷直流电机 11.2电流换向引起的转矩脉动 第二讲永磁无刷直流电机 11.2电流换向引起的转矩脉动 第二讲永磁无刷直流电机 11.3 齿槽效应引起的转矩脉动 第二讲永磁无刷直流电机 11.4 电枢反应引起的转矩脉动 第二讲永磁无刷直流电机 11.5 机械加工和工艺引起的转矩脉动 第二讲永磁无刷直流电机 11.6无刷直流电机转矩脉动规律示例:一般波形 第二讲永磁无刷直流电机 11.6无刷直流电机转矩脉动规律示例:槽口极弧系数 第二讲永磁无刷直流电机 11.6无刷直流电机转矩脉动规律示例:槽口极弧系数 第二讲永磁无刷直流电机 11.6无刷直流电机转矩脉动规律示例:换相角的影响 第二讲永磁无刷直流电机 11.6无刷直流电机转矩脉动规律示例:电流初值影响 第二讲永磁无刷直流电机 12 永磁无刷电机的控制器—开关主电路 对于单相交流电源供电、电机采用三相电抠绕组时,其典型开关主电路通 常由整流电路、滤波电路、直流电机分类和原理缓冲电路和逆变电路构成: 第二讲永磁无刷直流电机 12 永磁无刷电机的控制器—开关主电路 第二讲永磁无刷直流电机 12 永磁无刷电机的控制器—驱动器 第二讲永磁无刷直流电机 12 永磁无刷电机的控制器—驱动器 第二讲永磁无刷直流电机 12 永磁无刷电机的控制器—驱动器 IR公司推出的IR21xx系列集成芯片是MOS、IGBT功率器件专用栅极驱 动芯片,通过自举电路工作原理,使其既能驱动桥式电路中低压侧的功 率器件,又能驱动高压侧的功率元件,因而在电机控制、伺服驱动、 UPS电源等方面得到广泛应用。这些器件集成了特有的负电压免疫电 路,直流电机的磁力方式提高了系统耐用性和可靠性,有些器件不仅有过流、过温检测输入 等功能,还具有欠压锁定保护、集成死区时间保护、击穿保护、关断输 入、错误诊断输出等功能。 第二讲永磁无刷直流电机 12 永磁无刷电机的控制器—驱动器 第二讲永磁无刷直流电机 12 永磁无刷电机的控制器—驱动器 第二讲永磁无刷直流电机 12 永磁无刷电机的控制器—驱动器 IR2130是600V以下高压集成驱动器件,它具有六路输入信号和六路输出信号, 且只需一个供电电源即可驱动三相桥式逆变电路的6个功率开关器件,一片 IR2130可替代3片IR2110,使整个驱动电路更加简单可靠。 IR2130芯片具有以下一些特点: (1)可直接驱动高达600V电压的高压系统,输出端具有dV/dt抑制功能; (2)最大正向峰值驱动电流为250mA,反向峰值驱动电流为500mA; (3)具有电流放大和过电流保护功能,同时关断六路输出; (4)自动产生成上、下侧驱动所必需的死区时间(2.5μs); (5)具有欠压锁定功能并能及时关断六路输出; (6)2.5V逻辑信号输入兼容。 第二讲永磁无刷直流电机 12 永磁无刷电机的控制器—驱动器 C1自举电容,为上桥臂功率管驱动存 储能量,开关频率大于5kHz 时, 容值 应不小于0.1U, 选低漏电流的瓷片电容; D1为自举二极管,其作用是防止上桥 臂导通时的直流电压母线的电源上而使器件损坏,因此 D1应有足够的反向耐压,为了满足主 电路功率管开关频率的要求,D1还应 选超快速恢复型二极管。 R1和R2是IGBT的栅极限流电阻, 一般 可采用十几到几十欧。对IGBT的动态 特性将产生极大的影响,不同电流容量 的IGBT器件的栅极限流电阻有不同的 取值 ,功率越大的管子栅极电阻应越小。 第二讲永磁无刷直流电机 12 永磁无刷电机的控制器—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)对转子位置传感器输出的信号、PWM调制信号、正反转转、停车信号 进行逻辑综合.以给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)对电动机进行速度闭环调节和电流闭环调节有较好的动态相静态性能。 (4)实现短路、过流相欠压等故障保护功能等。 第二讲永磁无刷直流电机 12 永磁无刷电机的控制器—控制电路 控制电路的形式多种多样,归纳起来主要有以下几种型式: 1.分立元件全模拟电路 2.专用集成控制电路 3.数模混合控制电路; 4.全数字控制电路。 分立元件全模拟控制电路在以往的无刷直流电动机中大量应用,由于模拟电路 中不可避免地存在参数飘移和不一致问题,以及线路复杂、调试不便等因素,因而 使电机的可靠性相性能受到影响。 随着无刷直流电动机性能要求越来越高,其控制器由以硬件模拟电子器件,转 向数字电路、微处理器、数字信号处理器(DSP),实现半数字化的数模混合控制电 路和全数字化的控制电路。控制规律由硬件实现转向以软件实现。 对于高性能的稀土水磁无刷直流伺服系统,由于微机和DSP的应用,在控制上由通 常所采用的PI(比例积分)或PID(比例积分微分)控制规律,开始转向应用现代控制理 论,同时引进模糊控制、神经网络等智能控制理论,发展智能化的稀土水磁无刷直 流电动机,从而实现复杂的控制算法和故障诊断。 第二讲永磁无刷直流电机 课外习题: 1. 分析三相永磁无刷电机主电路全桥控制和半桥控 制的工作原理和优缺点 2. 论述永磁无刷电机驱动系统的构成及其功能,并 举例说明 3. 论述永磁无刷电机转矩脉动的内在原因

时间:2020-07-09 17:13