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1、第第3章章 无刷永磁伺服电动机无刷永磁伺服电动机3.1 概述概述3.2 无刷直流电动机无刷直流电动机3.3 正弦波永磁同步电动机及其矢量控制伺服正弦波永磁同步电动机及其矢量控制伺服驱动系统驱动系统3.4 无刷永磁伺服电动机与三相感应伺服电动无刷永磁伺服电动机与三相感应伺服电动机的比较机的比较3.1 概述概述3.1.1 无刷永磁伺服电动机的基本结构无刷永磁伺服电动机的基本结构3.1.2 无刷永磁电动机伺服系统的组成无刷永磁电动机伺服系统的组成3.1.3 无刷永磁伺服电动机的分类无刷永磁伺服电动机的分类3.1.1 无刷永磁伺服电动机的基本结构无刷永磁伺服电动机的基本结构 无刷永磁伺服电动机无刷永磁
2、伺服电动机也称为也称为交流永磁伺服电动机交流永磁伺服电动机，通常是，通常是指由永磁电动机和相应驱动、控制系统组成的指由永磁电动机和相应驱动、控制系统组成的无刷永磁电动无刷永磁电动机伺服系统，机伺服系统，有时也仅指永磁电动机本体。有时也仅指永磁电动机本体。无刷永磁伺服电动机就无刷永磁伺服电动机就电动机本体而言是一种采用永磁体电动机本体而言是一种采用永磁体励磁的多相同步电动机，定子结构与普通同步电动机或感应励磁的多相同步电动机，定子结构与普通同步电动机或感应电动机基本相同，转子方面则由永磁体取代了电励磁同步电电动机基本相同，转子方面则由永磁体取代了电励磁同步电动机的转子励磁绕组动机的转子励磁绕组。
3、转子结构的三种基本形式转子结构的三种基本形式：按照永磁体在转子上位置的不同，无刷永磁伺服电动机的按照永磁体在转子上位置的不同，无刷永磁伺服电动机的转子结构一般可分为转子结构一般可分为表面式（凸装式）表面式（凸装式）、嵌入式嵌入式和和内置式内置式三三种基本形式。转子结构是无刷永磁伺服电动机与其它电机最种基本形式。转子结构是无刷永磁伺服电动机与其它电机最主要的区别，对其运行性能、控制系统、制造工艺和适用场主要的区别，对其运行性能、控制系统、制造工艺和适用场合等均具有重要影响。合等均具有重要影响。3.1.1 无刷永磁伺服电动机的基本结构无刷永磁伺服电动机的基本结构 表面式转子：表面式转子：典型结构如
4、图典型结构如图3-1a）所示，永磁体通常呈）所示，永磁体通常呈瓦片形，通过环氧树脂直接粘贴在转子铁心表面上。瓦片形，通过环氧树脂直接粘贴在转子铁心表面上。在体积和功率较小的无刷永磁伺服电动机中，也可以采在体积和功率较小的无刷永磁伺服电动机中，也可以采用圆环形永磁体，如图用圆环形永磁体，如图3-1b）所示，永磁体为一整体的圆）所示，永磁体为一整体的圆环，该结构的转子制造工艺性较好，漏磁小。环，该结构的转子制造工艺性较好，漏磁小。图图3-1 表面式转子结构表面式转子结构 b）永磁体为圆环形）永磁体为圆环形 a）永磁体为瓦片形）永磁体为瓦片形 3.1.1 无刷永磁伺服电动机的基本结构无刷永磁伺服电动
5、机的基本结构 嵌入式转子：嵌入式转子：结构如图结构如图3-2所示，永磁体嵌装所示，永磁体嵌装在转子铁心表面的槽中。在转子铁心表面的槽中。图图3-2 嵌入式转子结构嵌入式转子结构 对于高速运行的伺服电动机，对于高速运行的伺服电动机，采用表面式或嵌入式时，为了采用表面式或嵌入式时，为了防止离心力的破坏，常需在其防止离心力的破坏，常需在其外表面再套一非磁性金属套筒外表面再套一非磁性金属套筒或包以无纬玻璃丝带作为保护或包以无纬玻璃丝带作为保护层。层。3.1.1 无刷永磁伺服电动机的基本结构无刷永磁伺服电动机的基本结构 内置式转子：内置式转子：永磁体不是装在转子表面上，而是位于转永磁体不是装在转子表面上
6、，而是位于转子铁心内部，可能的几何形状有多种，图子铁心内部，可能的几何形状有多种，图3-3给出了两种典给出了两种典型结构。图型结构。图3-3a）所示转子结构中永磁体为）所示转子结构中永磁体为径向充磁径向充磁，在，在图图3-3b）所示转子结构中永磁体为）所示转子结构中永磁体为横向充磁（切向充磁）横向充磁（切向充磁）。a）永磁体径向充磁）永磁体径向充磁 b）永磁体横向充磁）永磁体横向充磁 图图3-3 内置式转子结构内置式转子结构 相邻的永相邻的永磁体串联磁体串联相邻的永相邻的永磁体并联磁体并联3.1.1 无刷永磁伺服电动机的基本结构无刷永磁伺服电动机的基本结构 当电动机极数较多时，径向充磁结构受到
7、永磁体供磁面当电动机极数较多时，径向充磁结构受到永磁体供磁面积的限制，不能提供足够的每极磁通，而横向充磁结构由积的限制，不能提供足够的每极磁通，而横向充磁结构由于相邻磁极表面极性相同，每个极距下的磁通由相邻两个于相邻磁极表面极性相同，每个极距下的磁通由相邻两个磁极并联提供，可得到更大的每极磁通。横向充磁结构的磁极并联提供，可得到更大的每极磁通。横向充磁结构的不足之处是漏磁系数较大，且转轴上需采取适当的隔磁措不足之处是漏磁系数较大，且转轴上需采取适当的隔磁措施，如采用非磁性转轴或在转轴上加非磁性隔磁衬套，使施，如采用非磁性转轴或在转轴上加非磁性隔磁衬套，使制造成本增加，制造工艺变得复杂。制造成本
8、增加，制造工艺变得复杂。三种转子结构的比较三种转子结构的比较 表面式的特点：表面式的特点：表面式结构的表面式结构的电机交、直轴电感相等，电机交、直轴电感相等，是一种隐极式同步电动机是一种隐极式同步电动机；由于；由于有效气隙较大，绕组电感有效气隙较大，绕组电感低，有利于改善电机的动态性能低，有利于改善电机的动态性能；可使转子做的直径小，；可使转子做的直径小，惯量低。因此许多无刷永磁伺服电动机都采用这种结构。惯量低。因此许多无刷永磁伺服电动机都采用这种结构。3.1.1 无刷永磁伺服电动机的基本结构无刷永磁伺服电动机的基本结构 嵌入式和内置式的特点：交、直轴磁路磁阻是不相等的嵌入式和内置式的特点：交
9、、直轴磁路磁阻是不相等的。内置式转子的交、直轴磁路如图内置式转子的交、直轴磁路如图3-4所示。直轴磁路磁阻大所示。直轴磁路磁阻大于交轴磁路磁阻，因此内置式和嵌入式转子结构的无刷永于交轴磁路磁阻，因此内置式和嵌入式转子结构的无刷永磁伺服电动机磁伺服电动机属于凸极同步电动机属于凸极同步电动机。a）直轴磁通路径）直轴磁通路径 b）交轴磁通路径）交轴磁通路径 图图3-4 内置式无刷永磁伺服电动内置式无刷永磁伺服电动机的交、直轴磁路机的交、直轴磁路 注意：注意：电励磁凸极同步电励磁凸极同步电动机中直轴磁路磁阻小电动机中直轴磁路磁阻小于交轴磁路，因此直轴同于交轴磁路，因此直轴同步电抗步电抗Xd（电感（电感
10、Ld）大于）大于交轴同步电抗交轴同步电抗Xq（电感（电感Lq），而永磁同步电动机中），而永磁同步电动机中正好相反，其交、直轴绕正好相反，其交、直轴绕组电感的关系是组电感的关系是Lq Ld。3.1.2 无刷永磁电动机伺服系统的组成无刷永磁电动机伺服系统的组成无刷永磁伺服电动机通常由变频电源供电无刷永磁伺服电动机通常由变频电源供电 由恒频电源供电的永磁同步电动机仅适用于在要求恒速由恒频电源供电的永磁同步电动机仅适用于在要求恒速运转的场合作为驱动电机使用。为了解决电动机的起动问运转的场合作为驱动电机使用。为了解决电动机的起动问题，其转子上需装设笼型起动绕组（阻尼绕组），利用笼题，其转子上需装设笼型起
11、动绕组（阻尼绕组），利用笼型绕组感应产生的异步转矩将电动机加速到接近同步速，型绕组感应产生的异步转矩将电动机加速到接近同步速，然后由永磁体产生的同步转矩将转子牵入同步。然后由永磁体产生的同步转矩将转子牵入同步。对于伺服电动机而言，一个基本要求是其转速能在宽广对于伺服电动机而言，一个基本要求是其转速能在宽广的范围内连续调节，因此无刷永磁伺服电动机通常由变频的范围内连续调节，因此无刷永磁伺服电动机通常由变频电源供电，采用变频调速技术实现转速调节。变频电源供电源供电，采用变频调速技术实现转速调节。变频电源供电的永磁同步伺服电动机，由于供电电源频率可以由低频电的永磁同步伺服电动机，由于供电电源频率可以
12、由低频逐渐升高，可以直接利用同步转矩使电动机起动，故转子逐渐升高，可以直接利用同步转矩使电动机起动，故转子上一般不设阻尼绕组。上一般不设阻尼绕组。3.1.2 无刷永磁电动机伺服系统的组成无刷永磁电动机伺服系统的组成同步电动机变频调速系统的基本类型同步电动机变频调速系统的基本类型 根据变频电源频率控制方式的不同，同步电动机变频调根据变频电源频率控制方式的不同，同步电动机变频调速系统可以分为速系统可以分为他控变频他控变频和和自控变频自控变频两大类。两大类。他控变频：他控变频：用独立的变频装置给同步电动机供电，通过用独立的变频装置给同步电动机供电，通过直接改变变频装置的输出频率调节电动机的转速，是一
13、种直接改变变频装置的输出频率调节电动机的转速，是一种频率开环控制方式。频率开环控制方式。自控变频：自控变频：所用的变频电源是非独立的，变频装置输出所用的变频电源是非独立的，变频装置输出电流（电压）的频率和相位受反映转子磁极空间位置的转电流（电压）的频率和相位受反映转子磁极空间位置的转子位置信号控制，是一种定子绕组供电电源的频率和相位子位置信号控制，是一种定子绕组供电电源的频率和相位自动跟踪转子磁极空间位置的闭环控制方式。由于电动机自动跟踪转子磁极空间位置的闭环控制方式。由于电动机输入电流的频率始终和转子的转速保持同步，采用自控变输入电流的频率始终和转子的转速保持同步，采用自控变频方式的同步电动
14、机不会产生振荡和失步现象，故也称为频方式的同步电动机不会产生振荡和失步现象，故也称为自同步电动机系统自同步电动机系统。3.1.2 无刷永磁电动机伺服系统的组成无刷永磁电动机伺服系统的组成无刷永磁电动机伺服系统的组成无刷永磁电动机伺服系统的组成 由于他控变频的同步电动机存在振荡和失步等问题，因由于他控变频的同步电动机存在振荡和失步等问题，因此无刷永磁伺服电动机通常采用自控变频方式，所构成的此无刷永磁伺服电动机通常采用自控变频方式，所构成的无刷永磁电动机伺服系统如图无刷永磁电动机伺服系统如图3-5所示。所示。图图3-5 无刷永磁电动机伺服系统的组成无刷永磁电动机伺服系统的组成 组成：组成：主要由主
15、要由永磁永磁同步电动机同步电动机MS、转子转子位置检测器位置检测器BQ、逆变逆变器器和和控制器控制器4个部分组个部分组成。成。3.1.2 无刷永磁电动机伺服系统的组成无刷永磁电动机伺服系统的组成 基本工作原理：基本工作原理：由转子位置检测器产生转子磁极的空间由转子位置检测器产生转子磁极的空间位置信号，并将其提供给控制器；控制器根据来自外部位置信号，并将其提供给控制器；控制器根据来自外部（如上位机等）的控制信号和来自位置检测器的转子位置（如上位机等）的控制信号和来自位置检测器的转子位置信号，产生逆变器中各功率开关器件的通断信号；由逆变信号，产生逆变器中各功率开关器件的通断信号；由逆变器将输入直流
16、电压转换成具有相应频率和相位的交流电流器将输入直流电压转换成具有相应频率和相位的交流电流和电压，供给伺服电动机。和电压，供给伺服电动机。图中的逆变器通常为由电力图中的逆变器通常为由电力MOSFET、IGBT等全控等全控型器件构成，并采用脉宽调制技术的型器件构成，并采用脉宽调制技术的PWM逆变器，可逆变器，可以直接将输入的不可调直流电压变成频率和大小均可调以直接将输入的不可调直流电压变成频率和大小均可调的变频、变压交流电输出。在输入为交流电源的场合，的变频、变压交流电输出。在输入为交流电源的场合，可由整流器将交流电整流，并经电容滤波后，作为直流可由整流器将交流电整流，并经电容滤波后，作为直流电源
17、提供给逆变器，此时整流器和逆变器结合起来构成电源提供给逆变器，此时整流器和逆变器结合起来构成了一台了一台交交-直直-交变频器交变频器。3.1.3 无刷永磁伺服电动机的分类无刷永磁伺服电动机的分类无刷永磁伺服电动机的分类无刷永磁伺服电动机的分类 无刷直流电动机（无刷直流电动机（BLDCMBrushless DC Motor）：）：定子绕组中的感应电动势应为梯形波，定子绕组中应通入定子绕组中的感应电动势应为梯形波，定子绕组中应通入方波电流，因此无刷直流电动机也称为方波电流，因此无刷直流电动机也称为梯形波永磁同步电梯形波永磁同步电动机动机或或方波永磁同步电动机方波永磁同步电动机。正弦波永磁同步电动机
18、：正弦波永磁同步电动机：简称简称永磁同步电动机永磁同步电动机（PMSM Permanent Magnet Synchronous Motor）。定子绕组）。定子绕组感应电动势为正弦波，为了产生恒定转矩，定子绕组应通感应电动势为正弦波，为了产生恒定转矩，定子绕组应通入正弦波电流。入正弦波电流。3.1.3 无刷永磁伺服电动机的分类无刷永磁伺服电动机的分类两种电动机在结构上的差别两种电动机在结构上的差别 无刷直流电动机：无刷直流电动机：为得到平顶部分足够宽的梯形波感应为得到平顶部分足够宽的梯形波感应电动势，转子常采用表面式或嵌入式结构，转子磁钢呈弧电动势，转子常采用表面式或嵌入式结构，转子磁钢呈弧形
19、（瓦形），并采用形（瓦形），并采用径向充磁径向充磁方式。由于内置式转子很难方式。由于内置式转子很难产生梯形波感应电动势，无刷直流电动机中一般不宜采用。产生梯形波感应电动势，无刷直流电动机中一般不宜采用。正弦波永磁同步电动机：正弦波永磁同步电动机：转子既可以采用表面式和嵌入转子既可以采用表面式和嵌入式结构，也可以采用内置式结构。为产生正弦波感应电动式结构，也可以采用内置式结构。为产生正弦波感应电动势，设计时应使气隙磁密尽可能呈正弦分布。以势，设计时应使气隙磁密尽可能呈正弦分布。以图图3-1a）所示的表面式结构为例，在正弦波永磁同步电动机中，转所示的表面式结构为例，在正弦波永磁同步电动机中，转子磁
20、钢表面常呈抛物线形，并采用子磁钢表面常呈抛物线形，并采用平行充磁平行充磁方式；定子方方式；定子方面采用短距分布绕组或正弦绕组，以最大限度地抑制谐波面采用短距分布绕组或正弦绕组，以最大限度地抑制谐波磁场对感应电动势波形的影响。磁场对感应电动势波形的影响。3.1.3 无刷永磁伺服电动机的分类无刷永磁伺服电动机的分类两种电动机在其它方面的差别两种电动机在其它方面的差别 两种电动机在运行原理、分析方法及数学模型、控制策两种电动机在运行原理、分析方法及数学模型、控制策略及控制系统、运行性能等方面均有很大差异。略及控制系统、运行性能等方面均有很大差异。正弦波永磁同步电动机：正弦波永磁同步电动机：由电励磁同
21、步电动机发展而来，由电励磁同步电动机发展而来，出发点是用永磁体取代转子励磁绕组，运行原理、分析方出发点是用永磁体取代转子励磁绕组，运行原理、分析方法、运行性能等与普通电励磁同步电动机基本相同，只是法、运行性能等与普通电励磁同步电动机基本相同，只是由于采用永磁体励磁和自控变频方式带来了一些新特点。由于采用永磁体励磁和自控变频方式带来了一些新特点。无刷直流电动机：无刷直流电动机：是由直流电动机发展而来的，其出发是由直流电动机发展而来的，其出发点是用由转子位置传感器和逆变器构成的点是用由转子位置传感器和逆变器构成的电子换向器电子换向器取代取代有刷直流电动机中的机械换向器，把输入直流电流转换成有刷直流
22、电动机中的机械换向器，把输入直流电流转换成交变的方波电流输入多相电枢绕组，其转矩产生方式、控交变的方波电流输入多相电枢绕组，其转矩产生方式、控制方法和运行性能等更接近直流电动机，由于省去了机械制方法和运行性能等更接近直流电动机，由于省去了机械换向器和电刷，故得名为无刷直流电动机。换向器和电刷，故得名为无刷直流电动机。3.1.3 无刷永磁伺服电动机的分类无刷永磁伺服电动机的分类 关于无刷直流电动机的归类问题：关于无刷直流电动机的归类问题：如前所述，无刷直流电动机是由直流电动机发展而来如前所述，无刷直流电动机是由直流电动机发展而来的，应属于直流电动机。但另一方面，就电机本体而言，的，应属于直流电动
23、机。但另一方面，就电机本体而言，无刷直流电动机与正弦波永磁同步电动机差别不大；从控无刷直流电动机与正弦波永磁同步电动机差别不大；从控制系统的角度看，电动机是由逆变器供电的，并且工作在制系统的角度看，电动机是由逆变器供电的，并且工作在自控变频方式或自同步方式下，因此又是一种自控变频同自控变频方式或自同步方式下，因此又是一种自控变频同步电动机系统。鉴于此，步电动机系统。鉴于此，目前既有人将其归为直流电动机，目前既有人将其归为直流电动机，也有人将其归于同步电动机也有人将其归于同步电动机。3.2 无刷直流电动机无刷直流电动机3.2.1 无刷直流电动机的运行原理无刷直流电动机的运行原理3.2.2 无刷直
24、流电动机的电磁转矩和机械特性无刷直流电动机的电磁转矩和机械特性3.2.3 无刷直流电动机的动态数学模型无刷直流电动机的动态数学模型3.2.4 无刷直流电动机的控制系统无刷直流电动机的控制系统3.2.5 无刷直流电动机的转矩脉动无刷直流电动机的转矩脉动3.2.1 无刷直流电动机的运行原理无刷直流电动机的运行原理1.无刷直流电动机的基本思想无刷直流电动机的基本思想 直流电动机的工作特征直流电动机的工作特征：在直流电动机中，通常磁极在在直流电动机中，通常磁极在定子上，电枢绕组位于转子上。由电源向电枢绕组提供的定子上，电枢绕组位于转子上。由电源向电枢绕组提供的电流为直流，而为了能产生大小、方向均保持不
25、变的电磁电流为直流，而为了能产生大小、方向均保持不变的电磁转矩，每一主磁极下电枢绕组元件边中的电流方向应相同转矩，每一主磁极下电枢绕组元件边中的电流方向应相同并保持不变，但因每一元件边均随转子的旋转而轮流经过并保持不变，但因每一元件边均随转子的旋转而轮流经过N、S极，故每一元件边中的电流方向必须相应交替变化，极，故每一元件边中的电流方向必须相应交替变化，即必须为交变电流。在有刷直流电动机中，把外部输入的即必须为交变电流。在有刷直流电动机中，把外部输入的直流电变换成电枢绕组中的交变电流是由电刷和机械式换直流电变换成电枢绕组中的交变电流是由电刷和机械式换向器完成的，每当一个元件边经过几何中性线由向
26、器完成的，每当一个元件边经过几何中性线由N极转到极转到S极下或由极下或由S极转到极转到N极下时，通过电刷和机械换向器使绕组极下时，通过电刷和机械换向器使绕组电流改变方向。电流改变方向。3.2.1 无刷直流电动机的运行原理无刷直流电动机的运行原理 无刷直流电动机的基本思想无刷直流电动机的基本思想：为了消除电刷和机械为了消除电刷和机械换向器，在无刷直流电动机中将直流电动机反装，即换向器，在无刷直流电动机中将直流电动机反装，即将永磁体磁极放在转子上，而电枢绕组成为静止的定将永磁体磁极放在转子上，而电枢绕组成为静止的定子绕组，为了使定子绕组中的电流方向能随其线圈边子绕组，为了使定子绕组中的电流方向能随
27、其线圈边所在处的磁场极性交替变化，需将定子绕组与电力电所在处的磁场极性交替变化，需将定子绕组与电力电子器件构成的逆变器连接，并安装转子位置检测器，子器件构成的逆变器连接，并安装转子位置检测器，以检测转子磁极的空间位置，根据转子磁极的空间位以检测转子磁极的空间位置，根据转子磁极的空间位置（由此可以确定电枢绕组各线圈边所在处磁场的极置（由此可以确定电枢绕组各线圈边所在处磁场的极性）控制逆变器中功率开关器件的通断，从而控制电性）控制逆变器中功率开关器件的通断，从而控制电枢绕组的导通情况及绕组电流的方向，显然在这里转枢绕组的导通情况及绕组电流的方向，显然在这里转子位置检测器和逆变器起到了子位置检测器和
28、逆变器起到了“电子换向器电子换向器”的作用。的作用。3.2.1 无刷直流电动机的运行原理无刷直流电动机的运行原理2.电枢绕组及其与逆变器的连接电枢绕组及其与逆变器的连接 有刷直流电动机通常元件数很多，其电枢绕组相当于一有刷直流电动机通常元件数很多，其电枢绕组相当于一个相数很多的多相绕组，而无刷直流电动机中相数的增多个相数很多的多相绕组，而无刷直流电动机中相数的增多会造成逆变器功率开关器件数量增多，电路变得复杂，成会造成逆变器功率开关器件数量增多，电路变得复杂，成本增高，可靠性变差，目前最常见的无刷直流电动机为三本增高，可靠性变差，目前最常见的无刷直流电动机为三相，也有采用二相、四相和五相的。相
29、，也有采用二相、四相和五相的。无刷直流电动机的定子绕组可以采用星形连接，也可以无刷直流电动机的定子绕组可以采用星形连接，也可以采用角形（或称封闭形）连接。当绕组为星形连接时，其采用角形（或称封闭形）连接。当绕组为星形连接时，其逆变器可以采用桥式电路，也可以采用半桥电路；当绕组逆变器可以采用桥式电路，也可以采用半桥电路；当绕组为角形连接时，逆变器只能采用桥式电路。以三相无刷直为角形连接时，逆变器只能采用桥式电路。以三相无刷直流电动机为例，三种连接方式如图流电动机为例，三种连接方式如图3-6所示。所示。3.2.1 无刷直流电动机的运行原理无刷直流电动机的运行原理 a)半桥电路半桥电路 b）绕组星形
30、连接的桥式电路）绕组星形连接的桥式电路 c）绕组角形连接的桥式电路）绕组角形连接的桥式电路 图图3-6 三相无刷直流电动机绕组连接方式三相无刷直流电动机绕组连接方式 3.2.1 无刷直流电动机的运行原理无刷直流电动机的运行原理 对于角形连接，当感应电动势不平衡时闭合绕对于角形连接，当感应电动势不平衡时闭合绕组回路中会产生环流，因此在无刷直流电动机中组回路中会产生环流，因此在无刷直流电动机中较少采用。半桥连接由于绕组利用率较低，一般较少采用。半桥连接由于绕组利用率较低，一般仅用于对成本敏感的小功率场合，仅用于对成本敏感的小功率场合，广泛应用的是广泛应用的是星形全桥接法星形全桥接法。工作情况分析：
31、工作情况分析：3.2.1 无刷直流电动机的运行原理无刷直流电动机的运行原理3无刷直流电动机的工作原理无刷直流电动机的工作原理 下面以图下面以图3-7所示的星形全桥接法三相无刷直流电动机为所示的星形全桥接法三相无刷直流电动机为例，对无刷直流电动机的具体工作情况作进一步分析，为例，对无刷直流电动机的具体工作情况作进一步分析，为了便于分析，图中还给出了各电量的正方向。了便于分析，图中还给出了各电量的正方向。图图3-7 三相无刷直流电动机原理图三相无刷直流电动机原理图 设电机为设电机为2极，定子为三相极，定子为三相整距集中绕组，转子采用表整距集中绕组，转子采用表面式结构，永磁体宽度为面式结构，永磁体宽
32、度为120电角度，转子按逆时针电角度，转子按逆时针方向旋转，电角速度为方向旋转，电角速度为 r。rt=0 换相前；换相后换相前；换相后 rt=60换相前；换相后换相前；换相后 3.2.1 无刷直流电动机的运行原理无刷直流电动机的运行原理图图3-8 无刷直流电动机工作原理无刷直流电动机工作原理 a）rt=0换相前换相前a）rt=0换相前换相前b）rt=0换相后换相后图图3-9 不同时刻的电流路径不同时刻的电流路径 b）rt=0换相后换相后3.2.1 无刷直流电动机的运行原理无刷直流电动机的运行原理图图3-8 无刷直流电动机工作原理无刷直流电动机工作原理 c）rt=60换相前换相前c）rt=60换
33、相后换相后图图3-9 不同时刻的电流路径不同时刻的电流路径 d）rt=60换相后换相后b）rt=60换相前换相前3.2.1 无刷直流电动机的运行原理无刷直流电动机的运行原理 工作情况小结：工作情况小结：转子每转过转子每转过60电角度，进行一次换相，使电角度，进行一次换相，使绕组导通情况改变一次，转子转过一对磁极，对应于绕组导通情况改变一次，转子转过一对磁极，对应于360电电角度，需进行角度，需进行6次换相，相应地定子绕组有次换相，相应地定子绕组有6种导通状态，而种导通状态，而在每个在每个60区间都只有两相绕组同时导通，另外一相绕组电区间都只有两相绕组同时导通，另外一相绕组电流为零，这种工作方式
34、常称为流为零，这种工作方式常称为二相导通三相六状态二相导通三相六状态。由上述。由上述分析不难得出，各分析不难得出，各60区间同时导通的功率开关依次为区间同时导通的功率开关依次为V6V1V1V2V2V3V3V4 V4V5 V5V6。由此可见，根据转子磁极的空间位置，通过逆变器改变绕由此可见，根据转子磁极的空间位置，通过逆变器改变绕组电流的通断情况，实现绕组电流换相，在直流电流一定的组电流的通断情况，实现绕组电流换相，在直流电流一定的情况下，只要主磁极所覆盖的空间足够宽，则任何时刻永磁情况下，只要主磁极所覆盖的空间足够宽，则任何时刻永磁磁极所覆盖线圈边中的电流方向及大小均保持不变，导体所磁极所覆盖
35、线圈边中的电流方向及大小均保持不变，导体所受电磁力在转子上产生的反作用转矩大小、方向也保持不变。受电磁力在转子上产生的反作用转矩大小、方向也保持不变。3.2.1 无刷直流电动机的运行原理无刷直流电动机的运行原理4电枢磁动势电枢磁动势 在在图图3-8a）所示所示t=0时刻，换相前电枢磁动势如图中时刻，换相前电枢磁动势如图中Fa所所示，领先励磁磁动势示，领先励磁磁动势Ff 60电角度；换相后，电枢磁动势如电角度；换相后，电枢磁动势如图图3-8b）所示，可见在换相瞬间电枢磁动势跳跃前进了所示，可见在换相瞬间电枢磁动势跳跃前进了60，Fa领先领先Ff的角度由的角度由60跳变为跳变为120；在转子转过；
36、在转子转过60到达到达图图3-8c）所示位置之前，绕组导通情况不变，电枢磁动势所示位置之前，绕组导通情况不变，电枢磁动势Fa保持不变，随着转子的旋转，保持不变，随着转子的旋转，Fa与与Ff的夹角由的夹角由120逐渐减逐渐减少到少到60；由；由图图3-8d）可见，电流换相后，电枢磁动势再次可见，电流换相后，电枢磁动势再次跳跃前进跳跃前进60。由此可见，无刷直流电动机的电枢磁动势不。由此可见，无刷直流电动机的电枢磁动势不是匀速旋转的圆形旋转磁动势，而是跳跃式前进的是匀速旋转的圆形旋转磁动势，而是跳跃式前进的步进磁步进磁动势动势，对于二相导通三相六状态工作方式，转子每转过，对于二相导通三相六状态工作
37、方式，转子每转过60，电枢磁动势跳跃前进，电枢磁动势跳跃前进60，电枢磁动势领先转子磁动势的，电枢磁动势领先转子磁动势的电角度保持在电角度保持在60120之间。之间。3.2.1 无刷直流电动机的运行原理无刷直流电动机的运行原理5感应电动势和绕组电流波形感应电动势和绕组电流波形 分析中作如下理想假定：（分析中作如下理想假定：（1）气隙磁场仅由转子上的）气隙磁场仅由转子上的永磁体建立，所产生的气隙磁密在永磁体所覆盖的永磁体建立，所产生的气隙磁密在永磁体所覆盖的120范范围内保持恒定，在围内保持恒定，在N、S极两永磁体之间线性变化，其空极两永磁体之间线性变化，其空间分布波形为如图间分布波形为如图3-
38、10所示的平顶宽度为所示的平顶宽度为120电角度的梯电角度的梯形波；（形波；（2）直流侧电流恒定；（）直流侧电流恒定；（3）绕组电流的换相是瞬）绕组电流的换相是瞬间完成的。间完成的。图图3-10 气隙磁场的空间分布气隙磁场的空间分布 仍以转子处于仍以转子处于图图3-8a）所示时刻所示时刻为为t=0时刻，三相定子绕组感应电动时刻，三相定子绕组感应电动势、电流波形如势、电流波形如图图3-11所示，其中所示，其中各量的正方向参见各量的正方向参见图图3-7。（以（以A相为例说明有关波形）相为例说明有关波形）3.2.2 无刷直流电动机的电磁转矩和机械特性无刷直流电动机的电磁转矩和机械特性1电磁转矩电磁转
39、矩 无刷直流电动机的电磁转矩无刷直流电动机的电磁转矩Te可根据电磁功率可根据电磁功率Pe求出求出（3-1）式中，式中，r为转子机械角速度。为转子机械角速度。而三相无刷直流而三相无刷直流电动电动机的机的电电磁功率瞬磁功率瞬时值为时值为 （3-2）观察观察图图3-11可以发现，在理想情况下任意时刻三相绕组可以发现，在理想情况下任意时刻三相绕组中均有两相导通，一相电动势为中均有两相导通，一相电动势为Ep、电流为、电流为Id；另一相电；另一相电动势为动势为-Ep、电流为、电流为-Id。以。以060区间为例，有：区间为例，有：eA=Ep，iA=Id，eB=-Ep，iB=-Id，而，而iC=0。故任意时刻
40、均有。故任意时刻均有 3.2.2 无刷直流电动机的电磁转矩和机械特性无刷直流电动机的电磁转矩和机械特性 则电动机的瞬时电磁转矩则电动机的瞬时电磁转矩（3-3）（3-4）可见，理想情况下无刷直流电动机的电磁转矩是恒定的，可见，理想情况下无刷直流电动机的电磁转矩是恒定的，波形如波形如图图3-11所示。所示。考虑到绕组感应电动势幅值考虑到绕组感应电动势幅值Ep与转速成正比，则应有与转速成正比，则应有（3-5）式中，式中，nr为转速，单位为为转速，单位为r/min；Kp为与电机结构有关的常为与电机结构有关的常数，并和永磁体产生的气隙磁密数，并和永磁体产生的气隙磁密B 或每极磁通或每极磁通 成正比。成正
41、比。3.2.2 无刷直流电动机的电磁转矩和机械特性无刷直流电动机的电磁转矩和机械特性 将式（将式（3-5）代入式（）代入式（3-4），并考虑到），并考虑到 ，可得，可得（3-6）式中，式中，Kt为电机的转矩系数，为电机的转矩系数，式（式（3-6）表明，无刷直流电动机的电磁转矩公式与普通）表明，无刷直流电动机的电磁转矩公式与普通有刷直流电动机相同，若不计电枢反应磁动势对气隙磁场有刷直流电动机相同，若不计电枢反应磁动势对气隙磁场的影响，转矩系数的影响，转矩系数Kt为常数，电磁转矩与定子电流成正比，为常数，电磁转矩与定子电流成正比，通过控制定子电流大小就可以控制电磁转矩，因此无刷直通过控制定子电流大
42、小就可以控制电磁转矩，因此无刷直流电动机具有与有刷直流电动机同样优良的控制性能。流电动机具有与有刷直流电动机同样优良的控制性能。3.2.2 无刷直流电动机的电磁转矩和机械特性无刷直流电动机的电磁转矩和机械特性2机械特性机械特性 仔细观察仔细观察图图3-9不同时刻的电流路径不难发现，对于前不同时刻的电流路径不难发现，对于前述无刷直流电动机，从电路连接情况看有下述特点：在任述无刷直流电动机，从电路连接情况看有下述特点：在任意时刻同时导通的两相绕组串联后跨接在直流电源电压意时刻同时导通的两相绕组串联后跨接在直流电源电压Ud两端，第三相绕组处于开路状态，电流为零。以两端，第三相绕组处于开路状态，电流为
43、零。以060区间区间为例，电流路径为：电源正极为例，电流路径为：电源正极V1A相绕组相绕组B相绕组相绕组V6 电源负极。则稳态运行时，由于电流恒定，不必考电源负极。则稳态运行时，由于电流恒定，不必考虑电枢绕组电感的影响，若忽略功率开关的管压降，在上虑电枢绕组电感的影响，若忽略功率开关的管压降，在上述述60区间直流回路的电压平衡方程应为区间直流回路的电压平衡方程应为（3-7）式中，式中，Rs为定子绕组每相电阻；为定子绕组每相电阻；eAB为为A、B两相间的线电两相间的线电动势，动势，eAB=eA-eB。3.2.2 无刷直流电动机的电磁转矩和机械特性无刷直流电动机的电磁转矩和机械特性 由由图图3-1
44、1，在，在060区间区间eA=Ep，eB=-Ep，故，故eAB=2Ep，将其，将其代入式（代入式（3-7），则），则 （3-8）不难看出，式（不难看出，式（3-8）对其它区间同样适用，即式（）对其它区间同样适用，即式（3-8）就是三相无刷直流电动机的直流回路电压平衡方程。将式就是三相无刷直流电动机的直流回路电压平衡方程。将式（3-5）代入式（）代入式（3-8），并解出转速），并解出转速nr，可得无刷直流电动，可得无刷直流电动机的转速公式为机的转速公式为（3-9）将式（将式（3-6）代入上式，可得机械特性方程式）代入上式，可得机械特性方程式（3-10）3.2.2 无刷直流电动机的电磁转矩和机械特
45、性无刷直流电动机的电磁转矩和机械特性 可见，无刷直流电动机的机械特性方程同他励直流电动可见，无刷直流电动机的机械特性方程同他励直流电动机在形式上完全一致。机在形式上完全一致。图图3-12给出了不同给出了不同Ud下的机械特性下的机械特性曲线。曲线。综合以上分析，综合以上分析，图图3-7所示的无刷直流电动机无论是转所示的无刷直流电动机无论是转矩公式、转速公式，还是机械特性方程在形式上均与他励矩公式、转速公式，还是机械特性方程在形式上均与他励直流电动机相同，即其与直流电动机具有相同的电磁关系直流电动机相同，即其与直流电动机具有相同的电磁关系和特性，若从图和特性，若从图3-7直流电源的正、负端子看进去
46、，整个直流电源的正、负端子看进去，整个虚线框中的部分就等同于一台他励直流电动机，施加于逆虚线框中的部分就等同于一台他励直流电动机，施加于逆变器的直流电压和电流就相当于直流电动机的电枢电压和变器的直流电压和电流就相当于直流电动机的电枢电压和电流。由此可见，电流。由此可见，“无刷直流电动机无刷直流电动机”这一术语应该是指这一术语应该是指永磁伺服电动机、逆变器、转子位置检测器及相应换相控永磁伺服电动机、逆变器、转子位置检测器及相应换相控制电路的组合体，而并非仅指电动机本体。制电路的组合体，而并非仅指电动机本体。3.2.3 无刷直流电动机的动态数学模型无刷直流电动机的动态数学模型 前面讨论了无刷直流电
47、动机的工作原理及其稳态性能，前面讨论了无刷直流电动机的工作原理及其稳态性能，为了突出主要问题，分析是在假定感应电动势波形为理想为了突出主要问题，分析是在假定感应电动势波形为理想的梯形波、忽略换相过程、绕组电流为理想方波的前提下的梯形波、忽略换相过程、绕组电流为理想方波的前提下进行的。实际无刷直流电机的感应电动势、绕组电流波形进行的。实际无刷直流电机的感应电动势、绕组电流波形往往与上述理想情况有明显差异，为了得到更接近实际的往往与上述理想情况有明显差异，为了得到更接近实际的结果，在无刷直流电动机的分析研究中常采用系统仿真的结果，在无刷直流电动机的分析研究中常采用系统仿真的方法，为此需建立无刷直流
48、电动机的动态数学模型。另外，方法，为此需建立无刷直流电动机的动态数学模型。另外，无刷直流电动机作为伺服电动机，除了稳态性能外，对其无刷直流电动机作为伺服电动机，除了稳态性能外，对其动态性能的分析、研究也是不可缺少的，这往往也须借助动态性能的分析、研究也是不可缺少的，这往往也须借助于动态数学模型和系统仿真。于动态数学模型和系统仿真。3.2.3 无刷直流电动机的动态数学模型无刷直流电动机的动态数学模型 一般交流电机的磁动势和气隙磁场等均可认为在空间按一般交流电机的磁动势和气隙磁场等均可认为在空间按正弦规律分布，可以用空间矢量来描述，在研究动态问题正弦规律分布，可以用空间矢量来描述，在研究动态问题时
49、通过坐标变换的方法常常可以使动态方程得以简化，在时通过坐标变换的方法常常可以使动态方程得以简化，在讨论三相感应电动机矢量控制时我们便采用了这种方法。讨论三相感应电动机矢量控制时我们便采用了这种方法。但是在无刷直流电动机中，由于气隙磁场在空间不是按正但是在无刷直流电动机中，由于气隙磁场在空间不是按正弦规律分布的，因此坐标变换理论已不是有效的分析方法。弦规律分布的，因此坐标变换理论已不是有效的分析方法。无刷直流电动机的动态数学模型通常直接建立在静止的无刷直流电动机的动态数学模型通常直接建立在静止的ABC坐标系上。坐标系上。假定三相无刷直流电动机定子绕组假定三相无刷直流电动机定子绕组Y接，无中线引出
50、；接，无中线引出；转子采用表面式结构，且无阻尼绕组；忽略铁心磁滞和涡转子采用表面式结构，且无阻尼绕组；忽略铁心磁滞和涡流损耗，并不计磁路饱和影响流损耗，并不计磁路饱和影响。采用。采用图图3-7所示的正方向所示的正方向规定，对各相绕组分别列电压方程并写成矩阵形式，可得规定，对各相绕组分别列电压方程并写成矩阵形式，可得 3.2.3 无刷直流电动机的动态数学模型无刷直流电动机的动态数学模型 式中，式中，uA、uB、uC为定子三相绕组电压；为定子三相绕组电压；eA、eB、eC为转子磁场在三相为转子磁场在三相绕组中的感应电动势；绕组中的感应电动势；LA、LB、LC为定子三相绕组自感；为定子三相绕组自感；