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1、三相三状态BLDCM 原理传感器：H1=1 H2=0 H3=1导通相：B第1页/共72页传感器：H1=1 H2=0 H3=0导通相：B第2页/共72页传感器：H1=1 H2=1 H3=0导通相：C第3页/共72页传感器：H1=0 H2=1 H3=0导通相：C第4页/共72页传感器：H1=0 H2=1 H3=1导通相：A第5页/共72页传感器：H1=0 H2=0 H3=1导通相：A第6页/共72页传感器：H1=1 H2=0 H3=1导通相：B第7页/共72页1 基本结构与工作原理电动机控制器直流电源位置传感器输出无刷直流电机构成框图1-1 基本原理基本原理第8页/共72页永磁无刷直流电机系统图永
2、磁无刷直流电机系统图控制电路对转子位置传感器检测的信号进行逻辑变换后产生脉宽调制PWMPWM信号，经过驱动电路放大送至逆变器各功率开关管，从而控制电动机各相绕组按一定顺序工作，在电机气隙中产生跳跃式旋转磁场。第9页/共72页工作原理工作原理磁极图示位置位置信号逻辑变换V1、V6开通 A、B相导通I:E+-A-B-E-电机顺时针旋转磁极转过60o图示位置位置信号逻辑变换V1、V2 开通 A、C相导通I:E+-A-C-E-电机顺时针旋转转子每转过60o，逆变器开关管换流一次、定子磁状态改变一次，电机有6个磁状态，三相各导通120o两相导通三相六状态两相导通三相六状态转子磁场顺时针连续旋转、定子磁场
3、隔60O跳跃旋转自同步电机自同步电机第10页/共72页两相导通星形三相六状态时绕组和开关管导通顺序表第11页/共72页1-2 基本结构基本结构1）电机本体定子：与普通异步电机相同，铁心中嵌三相或多相对称绕组转子：永磁结构瓦形（径向磁化）矩形(切向磁化)环形(径向磁化)第12页/共72页1转轴；2前端盖；3螺钉，4垫片；5轴承；6定子；7一转子；8一传感器转子；9后端盖；10传感器定子稀土水磁无刷直流电动机结构示意图第13页/共72页三相星形三状态2)逆变器：最常用的为三相星形六状态 和三相星形三状态三相星形六状态第14页/共72页3)位置传感器磁敏式位置传感器 霍尔元件电磁式位置信感器 高频线
4、圈光电式位置信感器 光耦合器件第15页/共72页置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场垂直，则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场，这个现象是霍普金斯大学研究生霍尔于1879年发现的，后被称为霍尔效应霍尔效应。霍霍尔器件以霍器件以霍尔效效应为其工作基其工作基础，是一种磁是一种磁传感器。感器。可以可以检测磁磁场及其及其变化，可在各种与磁化，可在各种与磁场有关的有关的场合合中使用。中使用。霍尔传感器主要有两大类，一类为开关型器件，一类为线性霍尔器件。第16页/共72页Hall IC 安装方式第一种方式：将霍尔元件粘贴于电机端盖内表面，靠近霍尔元件并与之有一小间隙处，安装着与电机轴同轴的永
5、磁体。第二种方式：直接将霍尔元件敷贴在定子电枢铁心气隙表面或绕组端部紧靠铁心处，利用电机转子上的稀土磁体主极作为传感器的水滋体，根据霍尔元件的输出信号即可判断转子磁极的位置，将信号放大处理后便可驱动逆变器工作。第17页/共72页Hall IC 安装示意图1、三个霍尔元件在空间依次相差120o电角度2、传感器磁极与转子磁极同轴旋转、极数相等、极性相对应第18页/共72页电磁式位置传感器的定子由磁芯、高频激磁绕组和输出绕组组成，转子由扇形磁芯和非导磁衬套组成定、转子磁芯均由高频导滋材料(如软磁铁氧体)制成。电机运行时，输入绕组中通以高频激磁电流，当转子扇形磁芯处在输出绕组下面时，输入和输出绕组通过
6、定、转子磁芯耦台，输出绕组中则感应出高频信号，经滤波整形和逻辑处理后，即可控制逆变器开关管。第19页/共72页优点1：电磁式传感器具有较高的强度，可经受较大的振动冲击，故多用于航空航天领域。优点2：电磁式位置传感器输出信号较大，一般不需要经过放大便可直接驱动开关管，但因输出电压是交流，必须先整流。缺点：传感器过于笨重复杂，因而大大限制了其在普通条件下的应用。第20页/共72页2 三相永磁无刷直流电动机基本公式与数学模型无刷直流电机的磁场、电势、电流波形方波电动机梯形波反电势与方波电流第21页/共72页2-1 基本公式(三相六状态)1 1电枢绕组感应电势电枢绕组感应电势单根导体在气隙磁场中感应电
7、势e=BLv如电枢绕组每相串联匝数为W，则每相绕组的感应电势为第22页/共72页又因为所以：第23页/共72页对于三相六状态电机,线电压为：结结 论论无刷直流电机电动势公式与直流电机相似第24页/共72页2 2电枢电流电枢电流电压平衡方程式：电源电压开关管的饱和管压降电阻压降电枢电流为：第25页/共72页3.3.电磁转矩电磁转矩第26页/共72页所以：Tem=CTIa结结 论论无刷直流电机转矩公式与直流电机相似第27页/共72页2-2 三相永磁无刷直流电动机数学模型三相绕组的电压平衡方程为定子相绕组电压定子相绕组电流定子相绕组自感、互感定子相绕组电动势微分算子第28页/共72页由于三相绕组对称
8、，相间互感相等，故：当三相绕组为Y连接，且没有中线，则：ia+ib+ic=0Mia+Mib=-MicMib+Mic=-MiaMia+Mic=-Mib第29页/共72页所以得电压方程：电磁转矩为：该方程用于计算BLDCM的动稳态性能第30页/共72页2-3 BLDCM运行特性与特性分析一、电枢反应一、电枢反应电机负载时电枢磁场对主磁场的影响称为电枢反应。电抠反应与磁路的饱和程度、转向、电抠绕组联结方式、导通顺序和磁状态角的大小有关。二相导通星形三相六状态为例对电枢反应进行分析第31页/共72页三相六状态:磁状态角 m=60o;在一个磁状态下,两相绕组磁势方向不变，转子磁场顺时针旋转去磁 助磁起始
9、起始终止终止一个磁状态范围内，两相绕组的磁势第32页/共72页结论：在一个磁状态范围内，电枢磁势在刚开始为最大去磁，然后逐渐减小，在1/2磁状态时不去磁不增磁，后半个磁状态逐渐增磁并达到最大值。增磁或去磁的数值等于电枢合成磁势Fa在转子磁极轴线上的投影，其最大值为：相磁势：电枢合成磁势:第33页/共72页由于功率开关管只能单向导通，所以BLDCM反转不能靠通以反向电压实现。只有靠控制绕组的导通顺序来实现。换相逻辑转向二、无刷直流电机正反转二、无刷直流电机正反转位置传感器与定子绕组、磁极的相互关系Hall ICPMPM第34页/共72页正转时相互位置关系uha=uhb=1uhc=0AB导通uha
10、=uhc=0uhb=1AC导通第35页/共72页正转逻辑正转逻辑第36页/共72页反转时相互位置关系uhb=uhc=1uha=0BC导通uha=uhc=0uhb=1AC导通第37页/共72页反转逻辑反转逻辑第38页/共72页正、反转时开关管的导通逻辑关系第39页/共72页三、永磁无刷直流电动机的运行特三、永磁无刷直流电动机的运行特性性1 1、机械特性、机械特性永磁无刷直流电动机的机械特性与有刷直流电动机的机械特性的表达式相同，机械特性较硬。但由于公式是在忽略电枢绕组电感时得到的，故与实际电机的机械待性有一定区别。第40页/共72页永磁无刷直流电动机的机械特性曲线对比机械 特性曲线组第41页/共
11、72页2 2、调节特性 n=f(U)|n=f(U)|Tem=CTem=C调节特性曲线组第42页/共72页4 BLDCM的换相分析换相前:AC导通V1A C V2换相中：BC通、A续流V3B C V2ACV2 D4 A(A相续流)换相后：BC通V3B C V2第43页/共72页4-1 换相过程中各相绕组中的电流换相过程中各相绕组中的电流变化变化换相过程中，各相绕组的电压、电流方程：换相过程中，各相绕组的电压、电流方程：第44页/共72页假设不考虑定子绕组电阻、并令假设不考虑定子绕组电阻、并令L LMM=L=L一一MM，则上，则上式变为：式变为：电机各相绕组具有梯形波反电势，其平顶波宽大电机各相绕
12、组具有梯形波反电势，其平顶波宽大于于120120o o电角度，幅值大小相等，因而有电角度，幅值大小相等，因而有:相电势相电势第45页/共72页续流回路：BC相回路：第46页/共72页因星形绕组中ia十ib十ic0，则有:续流回路：BC相回路：所以：第47页/共72页换向过程中各相电流变化公式：第48页/共72页设初值和终值为换向前后各相电流的值设初值和终值为换向前后各相电流的值I I，求解该组，求解该组微分方程得：微分方程得：第49页/共72页4-2 换相过程的三种情况换相过程的三种情况1 1）i ia a与与i ib b变化率相等，即变化率相等，即i ia a降为降为0 0的同时的同时,i,
13、ib b达到稳态值达到稳态值I I令令i ia a(t(tf f)=0)=0，可得换相时间，可得换相时间t tf f为为令令i ib b(t(tf f)=I)=I，可得换相时间，可得换相时间t tf f为为所以：U=4E 上式反应了在该换相条件下，外加电压与电机绕组反电势，也即转速之间的相应关系第50页/共72页情况1特点：换相电流同时达到稳态情况1条件：U=4E 换相电流变化曲线换相电流变化曲线第51页/共72页换相电流变化曲线换相电流变化曲线2）ia降为零时，ib还未达到稳态值I令ia(tf)0，得ia降为零的时间tf 此时所以情况2发生的条件：U4E 第53页/共72页4-3 不同换相过
14、程中转矩的脉动不同换相过程中转矩的脉动换相过程中的电磁转矩：换相过程中的电磁转矩：因ia十ib十ic0，则有:换向期间电磁转矩与非换向相绕组中的电流成正比换向期间电磁转矩与非换向相绕组中的电流成正比第54页/共72页对于情形：U4E,T保持恒定对于情形：U4E,T增加在非换向时，即每个导通状态内，电机的电磁转矩为当U4E 时：换向转矩脉动为:结结 论论1 1、换向转矩脉动决定于绕组反电势，也就是电机、换向转矩脉动决定于绕组反电势，也就是电机的转速，而与电枢稳态电流无关。的转速，而与电枢稳态电流无关。2 2、当转速很低或堵转时，当转速很低或堵转时，E 0,0,T T5050；3 3、当转速很高时
15、，、当转速很高时，U U 2 2E ,T=-T=-5050；4 4、当转速满足时，、当转速满足时，U U4 4E ,T=T=0 0。第56页/共72页5 永磁无刷直流电动机的控制器控制器是无刷直流电动机的三大组成部分之一，它主控制器是无刷直流电动机的三大组成部分之一，它主要包括开关主电路要包括开关主电路(即逆变器即逆变器)、驱动电路和控制电路。、驱动电路和控制电路。第57页/共72页5-1 开关主电路对于单相交流电源供电、电机采用三相电枢绕组时，典型的开关主电路通常由整流电路、滤波电路、缓冲电路和逆变电路构成第58页/共72页整流电路由变压器TR1和整流桥BRl组成,将交流电源转换为直流电源滤
16、波电路实现直流电源的低通滤波，形成低内阻硬持性直流电压源，同时与绕组感性负载交换无功功率，其功能由大电容C2实现缓冲电路是为减少开关管承受的尖峰电压。由R3、C3、D7组成RDC缓冲电路。缓冲电容C3应选用高频特性好的无感电容，D7应选择过渡正向电压低、反向恢复时间短的快速恢复二极管。逆变电路：功率开关管T1T6、续流二极管D1D6功率开关管TlT6通常为GTR、功率MOSFET、IGBT、GTO以及MCT等功率电子器件，也可以为功率集成电路PIC或智能功率模块IPM第59页/共72页5-2 驱动电路 驱动电路将控制电路的输出信号进行功率放大，并向各开关管送去能使其饱和导通和可靠关断的驱动信号
17、。驱动电路的工作方式直接影响着开关管的一些参数和特性，从而影响着整个电机控制系统的正常工作。开关管的种类不同，对驱动信号的要求也不同，因而对应的驱动电路也不同。第60页/共72页常见集成驱动电路第61页/共72页5-3 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、正反转和停车信号进行逻辑综合,给驱动电路提供各开关管的斩波和选通信号,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，使系统具有较好
18、的动态和静态性能。4)实现短路、过流和欠压等故障保护功能等。第62页/共72页控制电路的形式:1、分立元件全模拟电路经济型2、专用集成控制电路 规模化、专用3、数模混合控制电路 半数字化(PID)4、全数字控制电路 高性能(MCU DSP)第63页/共72页eg1:以8098单片机为核心的数字式控制电路第64页/共72页输入信号：转子位置传感器送来的VA、VB、VC，正反转及停车信号ZZ、FZ、STOP，过流信号IP及调速信号P0.4。输出输出至驱动电路的信号为UGl一UG6和PWM斩波信号。单片机8098、锁存器74LS373和片外程序存储器27128(EPROM)组成8098单片机最小系统
19、单片机最小系统。两片可编程逻辑器件GAL16V8实现对输入信号的逻辑综合。8098单片机通过软件实现PWM斩波信号输出、最佳起动过程，通过对位置传感器的信号计算测量转速、实现速度闭环和电流闭环的PID控制等功能。以8098单片机为核心的系统简介：第65页/共72页eg2:实用型控制器第66页/共72页实用型控制器介绍1)开关主电路电源电压48VDC，经LC滤波电路输出稳定的48V电压。采用三相桥式逆变器，工作方式为120o导通型星形三相六状态。功率开关管T1T 6选用高速型MOSFET器件IR540，D1D6为续流二极管。采用一个整体型RCD缓冲电路。第67页/共72页2)2)驱动电路驱动电路
20、采用IR公司的6单元驱动集成电路IR2130，该电路采用上桥臂自举电容工作，驱动6个单元仅用一路10-20V电源。输入信号可与TTL、MOS器件接口。芯片内部具有欠压锁定、外部过流封锁和故障输出指示功能。旦过流保护或欠压锁定，LA2会发光指示。调节W3可调节过流保护值。为了防止干扰引起误触发而产生假过流现象，在IR2130的9脚过流封锁端加一小电容进行滤波。第68页/共72页3)3)控制电路控制电路包括PWM生成电路和逻辑综合电路两部分。PWM生成电路采用SG3525PWM脉冲形成电路来产生斩波调压信号。SG3525工作时，脚11、l 4输出两路互差180o的PWM信号，调节W1可使PWM占空
21、比在00.98范围内变化。逻辑综合电路用GALl6V8门阵列可编程器件来实现。三个霍尔元件(HA、HB、HC)输出信号经上拉电阻后变为+5V开关脉冲，送入GALl6V8。正、反转信号经开关K来实现，停机操作由PWM脉冲信号为零来保证。以上信号按120o三相六状态导通规则进行逻辑合成，生成6路驱动控制信号,经6路高速光耦6N137隔离后，送入功率驱动电路IR2130。LA1为过流保护指示灯。第69页/共72页6 BLDCM 的研究热点新型无位置传感器检测方法与控制全数字、高性能控制系统特殊结构电机及其准确分析应用研究(电动车、智能家电、航空)第70页/共72页思考题1无刷直流电动机与普通直流电动机相比有何区别?2.位置传感器在无刷直流电动机中起什么作用？3试分析利用位置传感器进行反转控制的原理。第71页/共72页感谢您的观看！第72页/共72页