1、電力電子與電機系統(tǒng)控制研究所7.1.1 7.1.1 稀土永磁無刷直流電動機稀土永磁無刷直流電動機電力電子與電機系統(tǒng)控制研究所優(yōu)點優(yōu)點l結(jié)構(gòu)簡單l性能優(yōu)良l運行可靠l維護方便電力電子與電機系統(tǒng)控制研究所運用場合運用場合l自動化伺服與驅(qū)動l家用電器l計算機外設l汽車電器l電動車輛驅(qū)動電力電子與電機系統(tǒng)控制研究所一、基本組成一、基本組成l 稀土永磁無刷直流電動機的基本構(gòu)成包括電動機本體、控制器和轉(zhuǎn)子位置傳感器三部分，如圖31所示：電力電子與電機系統(tǒng)控制研究所圖51 永磁無刷直流電機的組成電力電子與電機系統(tǒng)控制研究所永永 磁磁 無無 刷刷 直直 流流 電電 機機 本本 體體l定 子 多 為 三 相 結(jié)

2、構(gòu)，繞組為分布式或集中式，Y接。l永磁轉(zhuǎn)子多用釹鐵硼等稀土永磁材料，瓦片型永磁體直接粘貼在轉(zhuǎn)子鐵心上，故其氣隙磁場在空間呈矩形分布。（見圖52）圖52 四極永磁無刷直流電機本體電力電子與電機系統(tǒng)控制研究所控制器控制器( (功率電子開關功率電子開關) )l用于給電機定子各相繞組在一定的時刻通以一定時間長短的恒定直流電流，以便與轉(zhuǎn)子永磁磁場相互作用產(chǎn)生持續(xù)不斷的恒定轉(zhuǎn)矩。l一般采用 GTR、MOSFET，較大容量電機采用 IGBT或IPM模塊。l功率電子開關可以是半橋式，但多為三相橋式結(jié)構(gòu)，與三相直交逆變器結(jié)構(gòu)十分相似，但各橋臂元件一般只在一個輸出頻率周期內(nèi)開、關一次，惟有三相下橋臂元件(VT4,

3、VT6,VT2)在開通時間內(nèi)還要進行PWM調(diào)制,以實現(xiàn)電機的調(diào)壓調(diào)速。電力電子與電機系統(tǒng)控制研究所轉(zhuǎn)子位置傳感器轉(zhuǎn)子位置傳感器1.電磁式位置傳感器 利用電磁效應來實現(xiàn)位置測量的傳感元件，有開口 變壓器、鐵磁諧振電路、接近開關等多種形式,其 中開口變壓器使用較多，其原理已在32中作過 介紹。電力電子與電機系統(tǒng)控制研究所2. 磁敏式位置傳感器磁敏式位置傳感器l磁敏傳感器利用電流的磁效應進行工作，所組成的位置檢測器由與電機同軸安裝、具有與電機轉(zhuǎn)子同極數(shù)的永磁檢測轉(zhuǎn)子和多只空間均布的磁敏元件構(gòu)成。l目前常用的磁敏元件為霍爾元件或霍爾集成電路，它們在磁場作用下會產(chǎn)生霍爾電勢，經(jīng)整形、放大后即可輸出所需電

4、平信號，構(gòu)成了原始的位置信號。l圖 53為霍爾集成電路及其開關型輸出特性。l圖 54給出了一臺四極電機的霍爾位置檢測器完整結(jié)構(gòu)。電力電子與電機系統(tǒng)控制研究所圖53 霍爾傳感器電力電子與電機系統(tǒng)控制研究所圖54四極電機用霍爾位置檢測器電力電子與電機系統(tǒng)控制研究所3. 光電式位置傳感器光電式位置傳感器l利用與電機轉(zhuǎn)子同軸安裝、帶缺口旋轉(zhuǎn)園盤對光電元件進行通、斷控制，以產(chǎn)生一系列反映轉(zhuǎn)子空間位置脈沖信號的檢測方式。l簡單光電元件的結(jié)構(gòu)如圖55所示，由紅外發(fā)光二極管和光敏三極管構(gòu)成。圖55 光電式位置傳感元件結(jié)構(gòu)電力電子與電機系統(tǒng)控制研究所4. 其它的位置傳感器其它的位置傳感器l除了以上三種位置傳感器

5、外，還有正、余弦旋轉(zhuǎn)變壓器和光電編碼器等其他位置傳感元件，但成本高、體積大、線路復雜，較少采用。l由于位置檢測器有機械安裝、維護及運行可靠性等問題，近期來出現(xiàn)了無位置檢測器的運行控制方式。它利用電機定子繞組反電勢作為轉(zhuǎn)子磁極的位置信號。電力電子與電機系統(tǒng)控制研究所 工作原理以圖3-2、33來說明。圖3-2中VF為逆變器REPMM為稀土永磁電動機本體，PS為與電動機本體同軸相聯(lián)的轉(zhuǎn)子位置傳感器，控制電路對轉(zhuǎn)子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管，從而控制電動機各項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。二、工作原理二、工作原

6、理電力電子與電機系統(tǒng)控制研究所l以二相導通星形三相六狀態(tài)無刷直流電動機為例來說明其工作原理。當轉(zhuǎn)子稀土永磁體位于3-3(a)所示位置時，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出磁極位置信號，經(jīng)過控制電路邏輯變換后驅(qū)動逆變器，使功率開關管V1、V6導通，及繞組A、B通電，A進B出，電樞繞組在空間的合成磁勢Fa，如圖3-3(a)所示，此時定轉(zhuǎn)子磁場相互作用拖動轉(zhuǎn)子順時鐘轉(zhuǎn)動。電力電子與電機系統(tǒng)控制研究所電力電子與電機系統(tǒng)控制研究所電流流通路徑為：電源正極-V1管-A相繞組-B相繞組-V6管-電源負極。 依次類推,當轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時鐘每轉(zhuǎn)過60度電角度時，功率開關的導通邏輯為：V3V2-V3V4V5V4-V5V6-V1V6

7、-V2V1圖3-3(b)為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過60度時轉(zhuǎn)子位置，則轉(zhuǎn)子磁場始終受到定子合成磁場的作用并沿順時針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動。電力電子與電機系統(tǒng)控制研究所稀土永磁方波電動機基本公式稀土永磁方波電動機基本公式 電樞繞組感應電動勢e = LV (V )式中 氣隙磁感應強度 L 導體的有效長度 V 導體相對于磁場的線速度：V= 電樞電流 電磁轉(zhuǎn)矩 其中 為轉(zhuǎn)矩常數(shù) B).(mNICTaTe)(22ArEUUIaaWpCiT4Bn60D*電力電子與電機系統(tǒng)控制研究所 轉(zhuǎn)速 電勢系數(shù)與轉(zhuǎn)矩系數(shù) 電勢系數(shù)為： 轉(zhuǎn)矩系數(shù)為：min)/(22rCrIUUneaamin)/(152VWpKie)/.(4AmNWpKiT電力電

8、子與電機系統(tǒng)控制研究所三、運行特性三、運行特性電樞反應的特點：電機負載時的電樞磁場對主磁場的影響稱為電樞反應。電樞反應與磁路的飽和程度、轉(zhuǎn)向、電樞繞組聯(lián)接方式、導通順序和磁狀態(tài)角的大小有關。兩相導通星形三相六狀態(tài)的電樞反應形成兩相繞組的合成磁勢如圖311所示。電力電子與電機系統(tǒng)控制研究所電力電子與電機系統(tǒng)控制研究所正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)實現(xiàn) 通常采用改變逆變器開關管的邏輯關系，使電樞繞組各相導通順序變化來實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)。為了使電機正反轉(zhuǎn)均能產(chǎn)生最大平均電磁轉(zhuǎn)矩并保證對稱運行，必須精確設計轉(zhuǎn)子位置傳感器與轉(zhuǎn)子主磁極和定子各相繞組的相互位置關系，以及正確的邏輯關系，旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)電機正反轉(zhuǎn)對應各相繞組導通

9、順序與三個霍爾器件輸出信號的邏輯關系如表34所示。電力電子與電機系統(tǒng)控制研究所電力電子與電機系統(tǒng)控制研究所 位置傳感器采用三個霍爾元件沿圓周均勻分布粘貼于電機端蓋上，彼此相差120電角度，并分別與定子三相繞組首端所在槽中心線對齊，傳感器相互位置如圖312所示:電力電子與電機系統(tǒng)控制研究所電力電子與電機系統(tǒng)控制研究所假設：忽略氣隙磁場諧波，認為氣隙磁密沿氣隙圓周作正弦分布，即 (5-1) 式中 BM 氣隙磁密基波幅值 沿氣隙圓周度量的空間角度忽略電樞反應對氣隙磁場的影響，由于永磁體導磁率低，這對面貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特別合適；各相繞組結(jié)構(gòu)對稱，主電路各單元完全一致。sinMBB 電力電子與電機系統(tǒng)控制研

10、究所轉(zhuǎn)矩特性轉(zhuǎn)矩特性l分析表明，當轉(zhuǎn)子磁極軸線從某相電樞繞組軸線轉(zhuǎn)過 30度的位置時導通該相繞組，由于自此位置開始的 1/3周期內(nèi)氣隙磁密最大，所產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)矩將最大，轉(zhuǎn)矩脈動會最小，如圖 5-13所示。l習慣上將此時刻選作該相功率開關開始導通的基準時刻，定義為換流超前角 00電力電子與電機系統(tǒng)控制研究所l在 條件下導通時，三相半橋式永磁無刷直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩波形如圖 5-13所示，轉(zhuǎn)矩在 TM到TM/2之間波動，其平均轉(zhuǎn)矩為 (5-2)式中：N 各相繞組有效導體數(shù) L 繞組導體總有效長度 電機氣隙平均半徑 I 繞組電流幅值 00IRNLBTTdTTMMMMa6/56/827. 0 sin 2

11、3R電力電子與電機系統(tǒng)控制研究所圖5-13 三相半橋式永磁無刷直流電機轉(zhuǎn)矩曲線電力電子與電機系統(tǒng)控制研究所反電勢特性反電勢特性l在電磁轉(zhuǎn)矩作用下電機旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子永磁磁場切割定子繞組感生反電勢。當電機轉(zhuǎn)速 ，恒定時，反電勢波形正弦，與轉(zhuǎn)矩波形同相位，如圖 5-14所示。同理可求得反電勢平均值 (5-4) (5-5)nRNLBEEdEEMMMMa827. 0 sin 236/56/電力電子與電機系統(tǒng)控制研究所圖5-14 三相半橋式永磁無刷直流電機各相反電勢波形電力電子與電機系統(tǒng)控制研究所機械特性機械特性機械特性 特性曲線如圖315 min)/(222rTCCrCUUnemTeae電力電子與電機系統(tǒng)控

12、制研究所調(diào)節(jié)特性：特性曲線如圖317UCTrUTema220eCK1調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性電力電子與電機系統(tǒng)控制研究所 電樞電流與輸出轉(zhuǎn)矩的關系、電機效率和輸出轉(zhuǎn)矩的關系如圖318所示： 工作特性工作特性電力電子與電機系統(tǒng)控制研究所7.1.27.1.2永磁無刷直流電動機的控制永磁無刷直流電動機的控制電力電子與電機系統(tǒng)控制研究所l永磁無刷直流電動機具有有刷直流電動機那樣優(yōu)良的調(diào)速性能，卻沒有電刷和換向器，這主要是它用轉(zhuǎn)子位置檢測器替代了電刷，用電子換向電路(逆變器)替代了機械式換向器之故。因此永磁無刷直流電機的電子控制系統(tǒng)是這種電機不可缺少的必要組成部分，否則不能運行，這是有別于其他調(diào)速電機之處。電力

13、電子與電機系統(tǒng)控制研究所一、稀土永磁無刷直流電動機控制器一、稀土永磁無刷直流電動機控制器 開關主電路開關主電路 控制器包括開關主電路、驅(qū)動電路和控制電路典型的開關主電路有整流電路、濾波電路、緩沖電路和逆變電路構(gòu)成原理圖如3-34:電力電子與電機系統(tǒng)控制研究所 整流電路由變壓器TR1和整流橋BR1組成，將交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源。濾波電路由大電容C2實現(xiàn)，直流電源的低通濾波，形成低內(nèi)阻硬特性的直流電源，并與繞組感性負載交換無功功率。由R3、C3、D7組成的RDC緩沖電路可以減少開關管承受的尖峰電壓，提高主電路的可靠性，是開關管工作在安全區(qū)域。 逆變電路由功率開關管T1T6等組成，是開關主電路的核心

14、。說說 明明電力電子與電機系統(tǒng)控制研究所二、稀土永磁無刷直流電動機控制器二、稀土永磁無刷直流電動機控制器 驅(qū)動電路驅(qū)動電路l驅(qū)動電路將控制電路的輸出信號進行功率放大，并向各開關管送去能使其飽和導通和可靠關斷的驅(qū)動信號。現(xiàn)在驅(qū)動電路一般制成專用集成電路。圖3-35為一臺精密醫(yī)療儀器用的稀土永磁無刷直流電動機驅(qū)動電路原理圖。電力電子與電機系統(tǒng)控制研究所電力電子與電機系統(tǒng)控制研究所三、稀土永磁無刷直流電動機控制器三、稀土永磁無刷直流電動機控制器 控制電路控制電路 控制電路是電機正常運行并實現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心，主要功能： 對轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號、PWM調(diào)制信號、正反轉(zhuǎn)信號和停車信號進行邏輯綜合，以給驅(qū)動電路提供各開關管的斬波信號和選通信號。產(chǎn)生PWM調(diào)制信號，使電機按