4-驱动电动机及其控制系统

三、直流电动机及驱动技术
直流电机的工作原理和基本特性
（a）绕组励磁式 直流电动机的两种基本结构
（b）永磁式
三、直流电动机及驱动技术
直流电机的工作原理和基本特性
（a）它励
（b）并励
（c）串励
（d）复励
直流电机的励磁方式
三、直流电动机及驱动技术
直流电机的基本关系与机械特性
U Ea Ia R a
二、电力电子技术基础知识
1、常用的电力电子器件简介
绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的两种符号
二、电力电子技术基础知识
2、电力电子技术基本电路简介
电源 功率变换电路 （主电路） 驱动电 机
控制 电路
信号反馈
驱动电机的电路框图
二、电力电子技术基础知识
2、电力电子技术基本电路简介
（1）可控整流电路--交流/直流变换
三、直流电动机wk.baidu.com驱动技术
3、正向回馈制动运行
图示为他励直流电动 机电源电压降低，转速从 高向低调节的过程。
降压调速时的回馈制动过程
三、直流电动机及驱动技术
如图所示。负载机 械特性为曲线1和曲线2。 这样走平路时电动机则 运行在正向电动运行状 态，工作点为固有机械 待性与曲线1的交点A ； 走下坡路时电动机则运 行在正向回馈运行状态， 工作点为固有机械特性 与曲线2的交点B。
（a）大功率晶体管
（b）晶闸管（螺旋式）
（c）晶闸管（园盘式）
（d）MOSFET
（e）IGBT
（f）IGBT
二、电力电子技术基础知识
1、常用的电力电子器件简介
(a)晶闸管
(b)可关断晶闸管（GTO）
二、电力电子技术基础知识
1、常用的电力电子器件简介
(a)N沟道
(b)P沟道
场效应管（MOSFET）的符号
性越好。当k=1 时，称为无级调速。
三、直流电动机及驱动技术
4、经济性
在考虑技术指标的同时，还应考虑设备投资、 电能消耗、运行费用等。
三、直流电动机及驱动技术
匹配问题： 1、恒转矩调速 调速过程中保持Ia=IN，Ф=ФN=常数，则T=常数 电动机允许输出转矩不变的调速方法称恒转矩调速。 在实际调速时改变电动机供电电压和改变电枢回 路串入的电阻均属恒转矩调速。电动机输出功率P=TΩ T=常数 Ω ↓→P ↓,即电动机转速越低，输出功率越小, PΩ。
机械 δ≤50%; ；精密机床 δ≤1%～５%;精度高的造纸
机δ≤0.1%
三、直流电动机及驱动技术
静差率和机械特性的硬度有关系，但又有不同
之处，两条平行的机械特性，硬度一样，β1=β2 ， 但静差率不同。
三、直流电动机及驱动技术
2、调速范围D 定义：
nmax D T TN nmin
（a）逆变器电路图 （b）SPWM方法原理 正弦波脉宽调制（SPWM）方法示意图
二、电力电子技术基础知识
3、电动汽车驱动控制系统举例
丰 田 Prius 混 合 动 力 驱 动 系 统
丰田Prius功率控制单元
三、直流电动机及驱动技术
三、直流电动机及驱动技术
直流电机由两大部分组成：定子（静止部分）和转子 （转动部分或称电枢）
＞15000 较高
60-65 85-90 78-86 300-500 轻
4000-10000 高
90-93 95-97 85-97 300 轻
电动机外形尺寸
可靠性 控制操纵性能 控制器成本
大
一般 最好 低
中
好 好 高
小
优良 好 一般
小
一般 好 高
各种驱动电动机的性能比较
二、电力电子技术基础知识
1、常用的电力电子器件简介
降压电源电压调速
三、直流电动机及驱动技术
3、弱磁调速
保持他励直流电动机电源电压不变，电枢回路也不串电阻，在电动机拖 动的负载转矩不过分大时，降低他励直流电动机的磁通，可以使电动机转速
升高。
弱磁调速
三、直流电动机及驱动技术 调速的性能指标
1．调速范围 2．静差率
3．调速的平滑性
4．调速的经济性
三、直流电动机及驱动技术
1、静差率δ(或称相对稳定性)
指同一条机械特性上额定负载时转速降落Δn与
理想空载转速n0之比。定义为：
nN n0
三、直流电动机及驱动技术
分析: 电动机的机械特性愈硬，则静差率愈小，相对稳 定性愈高。
生产机械调速时，为保持一定的稳定程度，要求
静差率δ%小于某一允许值，不同的生产机械，其允
许的静差率是不同的。如：普通机床δ≤30%; 起重类
EV6580 直流永磁 25 45
EV6460N 直流永磁 18 30 直流它励 20 30
华利厢式车 直流并励 8.5 15
指额定负载时，电力拖动系统可能运行的最高 转速nmax与最低转速nmin之比。其中nmax受直流电动 机转动部分机械强度与换向条件的限制， nmin受低 转速时相对稳定性的限制。
三、直流电动机及驱动技术
3、平滑性
ni 用平滑系数表示调速的平滑性，定义 k ni 1 即相邻两级转速之比。
在一定的调速范围内，调速的级数越多，认为调 速越平滑，相邻两级转速的接近程度叫调速的平滑 性。k接近1，平滑性好。通常第 i 级表示较高的转 速，第 i-1 级表示较低的转速，因此系数k>1 ，显 然，调速的级数越多， k 越接近于1，调速的平滑
能耗制动，反接制动，再生制动。直流电机正
常工作时，出现制动状态情况分析如下： (1)要求停车 切断电枢电源，自由停车，或小容量电机切断 电源，机械抱闸，帮助停车。
(2)降速过程中：
在降压调速幅度比较大时，降速过程中要经过 制动状态。
三、直流电动机及驱动技术
(3) 提升机构下放重物
提升机构下放重物时，电动机要处于制动状态 。 (4) 反转 电动机从正转变为反转，首先要制动停车，然 后 才能反向起动，从上面分析可见，制动不能简单地
（a）交-交变换系统框图
（b）交-交变换电路
二、电力电子技术基础知识
2、电力电子技术基本电路简介
（5）脉宽调制（PWM）技术简介
（a）基本电路
（b）参考电压Ur较高 （c）参考电压Ur较低 直流电压脉宽调制（PWM）方法
二、电力电子技术基础知识
2、电力电子技术基本电路简介
（5）脉宽调制（PWM）技术简介
（3）尽量采用较高电压； （4）驱动电机应具有良好的可控性、高的可靠性、坚固的
结构以及便于维修等。
一、概述
3、电动汽车驱动电机的种类、特点及发展趋势
（1）直流电动机（DC Motor） （2）交流异步电动机（Induction Motor，缩写为IM） （3）交流永磁同步电动机与永磁无刷直流电动机 （4）开关磁阻电动机（Switched Reluctance Motor，缩写 为SRM）
匹配：
最好的配合方式为：恒功率负载，采用恒功率 的调速方法。(弱磁调速)；恒转矩负载，采用恒转 矩的调速方法。(变电压或变串入电阻调速)。 这样匹配，使电机在整个调速范围内容量能充 分利用，且 Ia=IN 不变，电动机的调速转矩与负载 一致时，电机容量能充分利用。
三、直流电动机及驱动技术
直流电动机的驱动控制
三、直流电动机及驱动技术
实现制动方法有：
机械制动，即刹车，它是用磨擦力产生阻转矩 实现制动的。其特点是损耗大，多用于停车制动， 如起重类机械的抱闸；电气制动，是使电动机变直 流发电机将系统的机械能或位能负载的位能转变为
电能，消耗在电枢电路的总电阻或回馈电网。
三、直流电动机及驱动技术
电气制动方法分：
三、直流电动机及驱动技术
2、恒功率调速 调速中，保持Ia=IN，若Ф↓→n↑，P =常数。
在保持电枢电流接近或等于额定值条件下，调速
过程中电动机允许输出功率不变的调速方法称为恒功
率调速。如改变电动机主磁通Ф 的调速方法就属于恒
功率调速方法。
三、直流电动机及驱动技术
允许输出转矩和功率
三、直流电动机及驱动技术
一、概述
性能指标 直流电动机 异步电动机 开关磁阻电动机 永磁电动机
转速范围（r/min） 功率密度
功率因数（%） 峰值效率（%） 负荷效率（%） 过载能量（%） 电动机质量
4000-6000 低
85-89 80-87 200 重
12000-20000 中
82-85 94-95 90-92 300-500 中
三、直流电动机及驱动技术
直流电机的基本关系与机械特性
T TN T
nN n0 n
n
(a)它励方式 (b)串励方式 直流电动机的机械特性
三、直流电动机及驱动技术
直流电动机的驱动控制
直流电机的调速主要有两种方法，一是改变电枢电压 ，称为调压调速；二是改变磁场，即控制励磁电压或电 流，称为调磁调速。 在额定转速以下常采用于降低电压、降低转速的方法
电动汽车应用技术
2013年7月8日
一、概述
1、电动汽车驱动系统的组成和特点
动力 电源 驱动 控制器 驱动 电机 变 速器 车轮
制动踏板 加速踏板
电动汽车驱动系统框图
一、概述
2、电动汽车驱动系统的组成和特点
（1）要求电动机应具有较大的起动转矩和大范围的调速性 能；
（2）要求电机尽量体积小、重量轻、功率大、效率高；
（a）电动机状态
（b）反接制动 （c）能耗制动 直流电机的制动方法
（d）回馈制动
三、直流电动机及驱动技术
制动： 指通过某种方法产生一个与拖动系统转向相反的 阻转矩以阻止系统运动的过程。 制动作用：
它可以维持受位能转矩作用的拖动系统恒速运动
，如起重类机械等速下放重物。列车等速下坡等。也
可以用于使拖动系统减速或停车。
2、电力电子技术基本电路简介
（3）直流斩波电路 --直流/直流变换
（a）降压斩波电路原理图
（b）电压电流波形
二、电力电子技术基础知识
2、电力电子技术基本电路简介
（3）直流斩波电路 --直流/直流变换
（a）升压斩波电路原理图
（b）电压电流波形
二、电力电子技术基础知识
2、电力电子技术基本电路简介
（4）交流/交流变换电路
，称为降压调速；在额定转速以上则采用减小磁场、提
高转速的方法，称为弱磁调速。
三、直流电动机及驱动技术
他励直流电动机的调速方法 1、电枢串电阻调速
电枢回路串电阻调速
三、直流电动机及驱动技术
2、降低电源电压调速
保持他励直流电动机磁通为额定值不变，电枢回路不串电阻，降低电枢 的电源电压可调节转速，使电动机拖动负载运行于不同的转速上。
三、直流电动机及驱动技术
2、电压反接的反接制动
方法：
将正在运行的电机电枢串入制动电阻 Rc，且电
枢两端电压极性改变。要实现反接制动电路有两
种，一种手动适合小容量电动机，另一种是自动线
路适合大容量的电动机采用。
三、直流电动机及驱动技术
反接制动停车是把正向运行的他励直流电动机的 电源电压突然反接，同时在电抠回路串入限流的反接 制动电阻R来实现的。
理
三、直流电动机及驱动技术
1、能耗制动 能耗制动过程(dynamic braking process)
三、直流电动机及驱动技术
他励直流电动机如果拖动位能性负载，本来运行 在正向电动状态，突然采用能耗制动。
三、直流电动机及驱动技术
三、直流电动机及驱动技术
能耗制动特点:
(i) 制动时 U=0，n0=0 ，直流电动机脱离电网变成 直流发电机单独运行，把系统存储的动能，或位 能性负载的位能转变成电能( EaIa)消耗在电枢电路 的总电阻上I2(Ra+Rc). (ii) 制动时， n与T成正比 ,所以转速n 下降时，T也 下降，故低速时制动效果差，为加强制动效果， 可减少Rc，以增大制动转矩T ，此即多级能耗制 动 (iii) 实现能耗制动的线路简单可靠，当n=0 时T=0 , 可实现准确停车。
Ea--电枢电动势，V； U--电源电压，V； Ia--电枢电流，A； Ra--电枢回路电阻； Φ--每极磁通量，Wb； N--电机转速，r/m； T--电磁转矩，N· m； Ce、CM--与电机结构有关的常数。
Ea CeΦn
T CMΦIa
n Ra U T 2 Ce Φ Ce C M Φ
（a）单相半波可控整流电路
（b）可控整流的波形
二、电力电子技术基础知识
2、电力电子技术基本电路简介
（2）逆变电路--直流/交流变换
（a）整流电路
（b）逆变电路
二、电力电子技术基础知识
2、电力电子技术基本电路简介
（2）逆变电路--直流/交流变换
单相Inverter 的物理模型
二、电力电子技术基础知识
正向回馈制动运行
三、直流电动机及驱动技术
直流电动机的驱动控制
（a）降压斩波电路（电动机状态） （b）升压斩波电路（发电机状态） 直流电机控制原理图
三、直流电动机及驱动技术
4、直流电动机在电动汽车中的应用
我国九十年代开发的几种电动汽车用驱动电机技术数据
车型号 驱动电机类型 额定功率（kw） 最大功率（kw）