全套课件 《特种电机及其控制》-孙建忠
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8
特种电机及其控制
传感器：H1=1 H2=0 H3=1 导通相：B
9
1.1 无刷直流电动机系统 1.1.1 基本组成
直流电 源 控制信号
逆变器 控制器
电机本体 位置检测器
特种电机及其控制
无刷直流电机构成框图
10
输出
1. 电动机本体
定子
永磁转子 传感器定子 传感器转子
(a) 结构示意图
(b) 定转子实际结构
无刷直流电动机出力大、控制简单、成本低，其调 速性能已能达到低速转矩脉动小于3％、调速比大 于1:10000的水平，因而越来越多地受到人们的青 睐。
无刷直流电动机与永磁同步电动机两种驱动模式的波形比较如下图所 示。
特种电机及其控制
25
B
B
O
O
t
t
ea
ea
O
O
t
t
ia
ia
O
O
t
t
Ta
Ta
O
O
t
t
Te
US
US
A
B
C
A
B
C
D
a) 三相半桥主电路
特种电机及其控制
Fra Baidu bibliotek
b) 四相半桥主电路
14
2. 逆变器
2) 桥式——全控型
VT1 VD1 VT3 VD3 VT5 VD5
A
US
C
B
VT4 VD4 VT6 VD6 VT2 VD2
c) 星形联结三相桥式主电路
特种电机及其控制
15
2. 逆变器
2) 桥式——全控型
传感器：H1=1 H2=0 H3=0 导通相：B
4
特种电机及其控制
传感器：H1=1 H2=1 H3=0 导通相：C
5
特种电机及其控制
传感器：H1=0 H2=1 H3=0 导通相：C
6
特种电机及其控制
传感器：H1=0 H2=1 H3=1 导通相：A
7
特种电机及其控制
传感器：H1=0 H2=0 H3=1 导通相：A
特种电机及其控制
18
A
D
B
C
主电路选择原则
绕组利用率：三相绕组优于四相、五相绕组 转矩脉动：相数越多，转矩脉动越小 电路成本：相数越多，电路成本越高
星形联接三相桥式主电路应用最多
特种电机及其控制
19
3. 位置检测器
有位
置传
感器
位置
检测
检测 器
无位 置传 感器 检测
特种电机及其控制
磁敏式 光电式 电磁式 接近开关式 正余弦变压器 编码器 反电动势检测 续流二极管工作状态检测 定子三次谐波检测 瞬时电压方程法
VT2
VT3
27
在三相半桥主电路中，位置信号有1/3周期为高电平、2/3 周期为低电平，各传感器之间的相位差也是1/3周期，如 图所示。 H1
0 120 240 360 480
t
H2
0 120 240 360 480
t
H3
0 120 240 360 480
t
旋转磁场在360电角度范围内有三种磁状态，每种 磁状态持续120电角度。我们把这种工作方式叫做单 相导通星形三相三状态。
Te
O
O t
t
(a) 无刷直流电动机
(b) 永磁同步电动机
特种电机及其控制
26
1.2 无刷直流电动机的主电路及其工作方式
无刷直流电动机的主电路主要有星形联结三相半桥式、星形联结三相 桥式和角形联结三相桥式三种形式。
1.2.1 星形连接三相半桥主电路
US
A
B
C
特种电机及其控制
VT1 H1 H2 H3
20
4. 控制器
模拟 控制 系统
控制 器
数字 控制 系统
分立元件加少量集 成电路构成的模拟 控制系统
基于专用集成电路 的控制系统
数模混合控制系统
全数字控制系统
控制器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
特种电机及其控制
21
1.1.2 基本工作原理
永磁无刷直流 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PWM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。
Te
Eaia
Ebib
Ecic
式中Ea、Eb、Ec———A、B、C三相绕组的反电动势； ia、ib、ic———A、B、C三相绕组的电流；
——转子的机械角速度。
可见，电磁转矩取决于反电动势的大小。在一定的转 速下，如果电流一定，反电动势越大，转矩越大。
特种电机及其控制
30
三相绕组的反电动势波形及其二二导通方式下的导通规律
VT1 VD1 VT3 VD3 VT5 VD5
US
A
VT4 VD4 VT6 VD6 VT2 VD2
C
B
d) 三角形联结三相桥式主电路
特种电机及其控制
16
2. 逆变器
2) 桥式——全控型
A US
B
e)正交两相全控型主电路
特种电机及其控制
17
2. 逆变器
2) 桥式——全控型
US
f) 封闭形联结四相桥式主电路
顺转时子针磁旋场转顺时针连续旋转、定子磁场隔60O跳跃E旋+-转A-C-E- →电机顺时针旋转
——自同步电机
特种电机及其控制
23
两相导通星形三相六状态时绕组和开关管导通顺序表
特种电机及其控制
24
1.1.3 无刷直流电动机与永磁同步电动机
由变频器供电的永磁同步电动机加上转子位置闭环 控制系统后构成自同步永磁电动机，既具有永磁直 流电动机的优异调速性能，又实现了无刷化。
特种电机及其控制
特种电机及其控制
1
第1章 无刷直流电动机 及其控制系统
Permanent Magnet Brushless DC Motors (PM BLDCMs)
大连理工大学电气工程系
2
三相三状态BLDCM 原理
特种电机及其控制
传感器：H1=1 H2=0 H3=1 导通相：B
3
特种电机及其控制
特种电机及其控制
28
1.2.2 星形连接三相桥式主电路
+
VT1
VT3
VT5
US
A
B
C
VT4
VT6
VT2
-
位置检测器的三个输出信号通过逻辑电路控制这些 开关管的导通和截止，其控制方式有两种：二二导通 方式和三三导通方式。
特种电机及其控制
29
1. 二二导通方式
电机的瞬时电磁转矩可由电枢绕组的电磁功率求得：
特种电机及其控制
无刷直流电动机结构
11
N S
S N
N S
S N
表面式磁极
N N
N
N
S
S
S
S
SS N
NS
S
S
N
N
S
N
N
嵌入式磁极
环形磁极
特种电机及其控制
内转子结构形式
12
外转子 永磁体 绕组
内定子
实际电机
结构示意图
外转子无刷直流电动机
特种电机及其控制
13
2. 逆变器
1) 非桥式（半桥式）——半控型
特种电机及其控制
22
工作原理
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，
两相导通三相六状态 磁 V三6极开相图通各示→导位A通、置1B2→相0o位—导置—通信→号I:E→+-逻A-辑B-E变- 换→电→V机1、
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:
特种电机及其控制
传感器：H1=1 H2=0 H3=1 导通相：B
9
1.1 无刷直流电动机系统 1.1.1 基本组成
直流电 源 控制信号
逆变器 控制器
电机本体 位置检测器
特种电机及其控制
无刷直流电机构成框图
10
输出
1. 电动机本体
定子
永磁转子 传感器定子 传感器转子
(a) 结构示意图
(b) 定转子实际结构
无刷直流电动机出力大、控制简单、成本低，其调 速性能已能达到低速转矩脉动小于3％、调速比大 于1:10000的水平，因而越来越多地受到人们的青 睐。
无刷直流电动机与永磁同步电动机两种驱动模式的波形比较如下图所 示。
特种电机及其控制
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B
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B
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A
B
C
D
a) 三相半桥主电路
特种电机及其控制
Fra Baidu bibliotek
b) 四相半桥主电路
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2. 逆变器
2) 桥式——全控型
VT1 VD1 VT3 VD3 VT5 VD5
A
US
C
B
VT4 VD4 VT6 VD6 VT2 VD2
c) 星形联结三相桥式主电路
特种电机及其控制
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2. 逆变器
2) 桥式——全控型
传感器：H1=1 H2=0 H3=0 导通相：B
4
特种电机及其控制
传感器：H1=1 H2=1 H3=0 导通相：C
5
特种电机及其控制
传感器：H1=0 H2=1 H3=0 导通相：C
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特种电机及其控制
传感器：H1=0 H2=1 H3=1 导通相：A
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特种电机及其控制
传感器：H1=0 H2=0 H3=1 导通相：A
特种电机及其控制
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A
D
B
C
主电路选择原则
绕组利用率：三相绕组优于四相、五相绕组 转矩脉动：相数越多，转矩脉动越小 电路成本：相数越多，电路成本越高
星形联接三相桥式主电路应用最多
特种电机及其控制
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3. 位置检测器
有位
置传
感器
位置
检测
检测 器
无位 置传 感器 检测
特种电机及其控制
磁敏式 光电式 电磁式 接近开关式 正余弦变压器 编码器 反电动势检测 续流二极管工作状态检测 定子三次谐波检测 瞬时电压方程法
VT2
VT3
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在三相半桥主电路中，位置信号有1/3周期为高电平、2/3 周期为低电平，各传感器之间的相位差也是1/3周期，如 图所示。 H1
0 120 240 360 480
t
H2
0 120 240 360 480
t
H3
0 120 240 360 480
t
旋转磁场在360电角度范围内有三种磁状态，每种 磁状态持续120电角度。我们把这种工作方式叫做单 相导通星形三相三状态。
Te
O
O t
t
(a) 无刷直流电动机
(b) 永磁同步电动机
特种电机及其控制
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1.2 无刷直流电动机的主电路及其工作方式
无刷直流电动机的主电路主要有星形联结三相半桥式、星形联结三相 桥式和角形联结三相桥式三种形式。
1.2.1 星形连接三相半桥主电路
US
A
B
C
特种电机及其控制
VT1 H1 H2 H3
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4. 控制器
模拟 控制 系统
控制 器
数字 控制 系统
分立元件加少量集 成电路构成的模拟 控制系统
基于专用集成电路 的控制系统
数模混合控制系统
全数字控制系统
控制器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
特种电机及其控制
21
1.1.2 基本工作原理
永磁无刷直流 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PWM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。
Te
Eaia
Ebib
Ecic
式中Ea、Eb、Ec———A、B、C三相绕组的反电动势； ia、ib、ic———A、B、C三相绕组的电流；
——转子的机械角速度。
可见，电磁转矩取决于反电动势的大小。在一定的转 速下，如果电流一定，反电动势越大，转矩越大。
特种电机及其控制
30
三相绕组的反电动势波形及其二二导通方式下的导通规律
VT1 VD1 VT3 VD3 VT5 VD5
US
A
VT4 VD4 VT6 VD6 VT2 VD2
C
B
d) 三角形联结三相桥式主电路
特种电机及其控制
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2. 逆变器
2) 桥式——全控型
A US
B
e)正交两相全控型主电路
特种电机及其控制
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2. 逆变器
2) 桥式——全控型
US
f) 封闭形联结四相桥式主电路
顺转时子针磁旋场转顺时针连续旋转、定子磁场隔60O跳跃E旋+-转A-C-E- →电机顺时针旋转
——自同步电机
特种电机及其控制
23
两相导通星形三相六状态时绕组和开关管导通顺序表
特种电机及其控制
24
1.1.3 无刷直流电动机与永磁同步电动机
由变频器供电的永磁同步电动机加上转子位置闭环 控制系统后构成自同步永磁电动机，既具有永磁直 流电动机的优异调速性能，又实现了无刷化。
特种电机及其控制
特种电机及其控制
1
第1章 无刷直流电动机 及其控制系统
Permanent Magnet Brushless DC Motors (PM BLDCMs)
大连理工大学电气工程系
2
三相三状态BLDCM 原理
特种电机及其控制
传感器：H1=1 H2=0 H3=1 导通相：B
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特种电机及其控制
特种电机及其控制
28
1.2.2 星形连接三相桥式主电路
+
VT1
VT3
VT5
US
A
B
C
VT4
VT6
VT2
-
位置检测器的三个输出信号通过逻辑电路控制这些 开关管的导通和截止，其控制方式有两种：二二导通 方式和三三导通方式。
特种电机及其控制
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1. 二二导通方式
电机的瞬时电磁转矩可由电枢绕组的电磁功率求得：
特种电机及其控制
无刷直流电动机结构
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N S
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表面式磁极
N N
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SS N
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嵌入式磁极
环形磁极
特种电机及其控制
内转子结构形式
12
外转子 永磁体 绕组
内定子
实际电机
结构示意图
外转子无刷直流电动机
特种电机及其控制
13
2. 逆变器
1) 非桥式（半桥式）——半控型
特种电机及其控制
22
工作原理
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，
两相导通三相六状态 磁 V三6极开相图通各示→导位A通、置1B2→相0o位—导置—通信→号I:E→+-逻A-辑B-E变- 换→电→V机1、
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: