《特种电机及其控制》第1章
合集下载
第1章BLDCM
工作原理
转子每转过60o，逆变器开关管换流一次、定子磁状 o图示位置→ 磁极转过 60 磁极图示位置 → 位置信号 态改变一次，电机有6个磁状态，三相各导通120o— 位置信号→逻辑变换 → 逻辑变换 → V1 、 V6 开通 —两相导通三相六状态 →V1、V2 开通→ A、C → A、B相导通→I:E+-AO跳跃旋转 转子磁场顺时针连续旋转、定子磁场隔 60 相导通→I: E+-A-C-EB-E- →电机顺时针旋转 →电机顺时针旋转 ——自同步电机
磁敏式 光电式 电磁式 接近开关式 正余弦变压器 编码器
位 置 检 测 器
无位 置传 感器 检测
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
特种电机及其控制
20
4. 控制器
模拟 控制 系统
分立元件加少量集 成电路构成的模拟 控制系统
控 制 器
数字 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
忽略电枢绕组的电感。这样，无刷直流电动机的电压方程 可以简化为：
US 2UT E 2rI a
式中 UT——开关器件的管压降；
Ia ——电枢电流；
E ——线电动势，即电机的反电动势。
特种电机及其控制
47
对于三相六状态无刷直流电动机，任一时刻都有两相绕 组导通，故电机的反电动势为
A Y Z
Fad S N
Faq Fa
B C X II Fr I
如图所示，电枢 磁动势的直轴分 量Fad对转子主磁 极产生最大去磁 作用
特种电机及其控制
36
A Y S Z
Fa Faq
C
N
Fad X
控制电机与特种电机第1章电子课件
的应用
控制电机已经成为现代工业自动化系统、 现代科学技术和现代军事装备中不可缺少 的重要元件。它的应用范围非常广泛，例 如：自动化生产线中的类机械手、火炮和 雷达的自动定位、舶船方向舵的自动操纵。
特种电机技术综合了电机、计算机、新材料、控制理 论等多项高新技术，其应用遍及军事、航空航天、工 农业生产、日常生活的各个领域。 （1）工业控制自动化领域。 （2）信息处理领域。 （3）交通运输领域。 （4）家用电器领域。 （5）高档消费品领域。 （6）电气传动领域。 （7）特种用途。
1.4 控制电机、特种电机与其控制系统的 关系
不管是控制电机还是特种电机，与普通圆柱 式交直流电机相比，他们都有其各自特殊性，但 基本上共同的一点是，他们更需要借助于控制器 的控制来发挥作用。控制电机、特种电机与其控 制系统是密不可分的，单独认识电机本体而不能 理解其控制原理，是不完整的，可以说，脱离开 系统来单独谈这些电机是没有实际意义的。 无论是某些新型电机，还是传统的控制电机 或特种电机提高性能的目的，控制系统俨然已经 称为电机的不可或缺的一部分，离开控制系统谈 电机已经越来越不合时宜。
1.2
控制电机与特种电机的种类
控制电机一般包括：直流测速发电机、直流 伺服电动机、交流异步伺服电动机,旋转变压器,自 整角机,步进电动机,直线电机等；特种电机包括： 开关磁阻电动机,永磁无刷直流电动机交流永磁同 步伺服电动机,盘式电机,超声波电机等。依用途而 定，当中部分永磁无刷直流电动机交流永磁同步 伺服电动机可以划为控制电机的范畴。
控制电机与特种电机及其 控制系统
第1章 绪论
1.1 控制电机、特种电机和传统 电机的区别
一般来说，与传统电机相比，在工 作原理、结构、性能或设计方法上有较 大特点的电机都属于特种电机的范畴。 。
控制电机已经成为现代工业自动化系统、 现代科学技术和现代军事装备中不可缺少 的重要元件。它的应用范围非常广泛，例 如：自动化生产线中的类机械手、火炮和 雷达的自动定位、舶船方向舵的自动操纵。
特种电机技术综合了电机、计算机、新材料、控制理 论等多项高新技术，其应用遍及军事、航空航天、工 农业生产、日常生活的各个领域。 （1）工业控制自动化领域。 （2）信息处理领域。 （3）交通运输领域。 （4）家用电器领域。 （5）高档消费品领域。 （6）电气传动领域。 （7）特种用途。
1.4 控制电机、特种电机与其控制系统的 关系
不管是控制电机还是特种电机，与普通圆柱 式交直流电机相比，他们都有其各自特殊性，但 基本上共同的一点是，他们更需要借助于控制器 的控制来发挥作用。控制电机、特种电机与其控 制系统是密不可分的，单独认识电机本体而不能 理解其控制原理，是不完整的，可以说，脱离开 系统来单独谈这些电机是没有实际意义的。 无论是某些新型电机，还是传统的控制电机 或特种电机提高性能的目的，控制系统俨然已经 称为电机的不可或缺的一部分，离开控制系统谈 电机已经越来越不合时宜。
1.2
控制电机与特种电机的种类
控制电机一般包括：直流测速发电机、直流 伺服电动机、交流异步伺服电动机,旋转变压器,自 整角机,步进电动机,直线电机等；特种电机包括： 开关磁阻电动机,永磁无刷直流电动机交流永磁同 步伺服电动机,盘式电机,超声波电机等。依用途而 定，当中部分永磁无刷直流电动机交流永磁同步 伺服电动机可以划为控制电机的范畴。
控制电机与特种电机及其 控制系统
第1章 绪论
1.1 控制电机、特种电机和传统 电机的区别
一般来说，与传统电机相比，在工 作原理、结构、性能或设计方法上有较 大特点的电机都属于特种电机的范畴。 。
《数控技术及应用》课件第1章
第1章 绪 论 2． 输入装置
输入装置的作用是将程序载体上的数控代码传递并存入数 控系统内。编好的数控程序，可通过光电阅读机、磁带机等输 入装置存储到载体上。目前，随着CAD/CAM、CIMS技术的发展， 越来越多地采用串行通信方式进行程序的传输。
为了便于加工程序的编辑修改、模拟显示，数控系统通过 显示器为操作人员提供必要的信息界面。较简单的显示器只有 若干个数码管，只能显示字符；较高级的系统一般配有CRT显 示器或液晶显示器， 可以显示图形。
第1章 绪 论
在数控机床上除了上述轨迹控制和点位控制外，还有许多 动作，如主轴的启停、刀具的更换、 冷却液的开关、电磁铁 的吸合、电磁阀的启闭、离合器的开合、各种运动的互锁和连 锁；运动行程的限位、急停、报警、进给保持、循环启动、 程序停止、 复位等等。 这些都属于开关量控制，一般由可编 程控制器（Programmable Controller, 简称为PC，也称为可 编程逻辑控制器PLC， 又称为可编程机床控制器PMC）来完成， 开关量仅有“0”和“1”两种状态， 显然可以很方便地融入机 床控制系统中， 实现对机床各种运动的数字控制。
第1章 绪 论
1.2 数控机床的组成与工作原理
1.2.1 数控机床的组成 数控机床一般由输入／输出装置、 数控装置、 伺服驱动
装置、 辅助控制装置和机床（或称裸机）等五部分组成， 如 图1-1所示。
-
第1章 绪 论
图 1 1 数 控 机 床 的 组 成
第1章 绪 论
1． 程序编制及程序载体
数控程序是数控机床自动加工零件的工作指令。在对加工 零件进行工艺分析的基础上，确定零件坐标系在机床坐标系上 的相对位置，即零件在机床上的安装位置，刀具与零件相对运 动的尺寸参数，零件加工的工艺路线、切割加工的工艺参数以 及辅助装置的动作等。得到零件的所有运动、尺寸、工艺参数 等加工信息后，用有文字、数字和符号组成的标准数控代码， 按规定的方法和格式，编制零件加工的数控程序。 编制程序 的工作可由人工进行。对于形状复杂的零件，则要在专用的编 程机或通用计算机上使用CAD／CAM软件进行自动编程。
《特种电机》课程教学大纲
电动汽车驱动电机
用于电动汽车的驱动系统，具有 高扭矩、高效率、宽调速范围等
要求。
混合动力汽车电机
用于混合动力汽车的驱动和发电 系统，具有多种工作模式和高效
率等特性。
燃料电池汽车电机
用于燃料电池汽车的驱动系统， 具有低噪音、低振动、高效率等
特点。
工业机器人领域应用案例
关节型机器人电机
用于关节型机器人的关节驱动，具有高扭矩、高精度、快速响应 等要求。
课程安排与学时分配
理论教学
包括课堂讲授、讨论课等，共计40学时。
实验教学
包括电机实验、控制实验等，共计20学时。
课程设计
考核与答辩
针对某一特种电机进行设计，包括方案制定、 计算分析、图纸绘制等，共计20学时。
包括平时成绩、实验成绩、课程设计成绩和 期末考试成绩等，共计10学时。
02
特种电机基本原理
选题二
开关磁阻电机调速系统设计
设计目标
设计一款高效的开关磁阻电机调速系统，实现电机的宽范 围调速和节能运行。
课程设计选题建议
设计内容
包括电机本体设计、功率变换器设计、控制策略制定等。
设计要求
提交完整的系统设计报告，包括系统框图、电路图、程序代码、仿真结果和实物测 试报告。
成绩评定标准与考核方式
成绩评定标准
静音、无电磁干扰
超声波电机利用超声波振动驱动， 因此具有静音、无电磁干扰的优 点。
高效节能
超声波电机在运行时能够将电能高 效地转换为机械能，具有显著的节 能效果。
适用于特殊环境
由于超声波电机的特殊驱动方式， 它能够在高低温、真空、辐射等特 殊环境下正常工作。
04
特种电机控制策略与方法
《特种电机及其控制》 第5章 Disc Type Motor
特种电机及其控制
5.2.2
盘式直流电机的基本电磁关系
de B ( )rdr
e
Rmo Rmi
B ( )rdr
1 2 2 ( Rmo Rmi ) Bδ ( ) 2 p /p 1 2 2 Ec ed B av ( Rmo Rmi ) 0 2
第 5 章 盘式电机
Axial Field Machines of Disc Type
大连理工大学电气工程系
5.1 盘式电机概述
特 点； 1)外形扁平、轴向尺寸短，特别适用于安装空间有 严格限制的场合。 2)气隙是平面型的，气隙磁场是轴向的，所以又称 为轴向磁场电机(axial filed machines)。 3）盘式电机的工作原理与柱式电机相同
盘式永磁同步电机的结构和特点
盘式永磁同步电机的常见结构
定子铁心 1）中间转子结构
特种电机及其控制
盘式转子结构
2）单定子、单转子结构
特种电机及其控制
3) 中间定子结构
4）多盘式结构
特种电机及其控制
5.3.2
盘式无刷直流电动机
无铁心盘式无刷直流电动机
特种电机及其控制
特种电机及其控制
5.2 盘式直流电机
5.2.1 盘式直流电机的结构特点
结构示意图
特种电机及其控制
永磁体排列方式
(a) 线绕式
(b)印制绕组
盘式永磁直流电动机的电枢绕组
特种电机及其控制
双边永磁盘式直流电动机结构
特种电机及其控制
盘式永磁直流电动机的特点 (1) 轴向尺寸短，适用于严格要求薄型安装的场合； (2) 采用无铁心电枢结构，不存在普通圆柱式电机由于齿槽 引起的转矩脉动，转矩输出平稳； (3)不存在磁滞和涡流损耗，可达到较高的效率； (4) 电枢绕组电感小，具有良好的换向性能； (5) 电枢绕组两端面直接与气隙接触，有利于电枢绕组散热， 可取较大的电负荷，有利于减小电机的体积； (6) 转动部分只是电枢绕组，转动惯量小，具有优良的快速 反应性能，可用于频繁起动和制动的场合。
特种电机的介绍
力矩电机广泛应用于电梯、卷扬机、 造纸机械等需要较大力矩的场合。
工作原理
力矩电机通过改变输入电流的大小和方向， 调整电机的输出力矩和旋转方向。力矩电机 具有较大的转动惯量，能够承受较大的负载 突变。
直线电机
定义
直线电机是一种将电能直接转换 为直线运动的装置，无需通过中
间传动机构。
工作原理
直线电机内部有动子和定子两部 分，当定子绕组通入交流电时， 产生行波磁场，使动子在磁场中
启动电流大
某些特种电机在启动时可能需 要较大的启动电流，可能对电 网造成冲击。
噪声和振动
某些特种电机在工作过程中可 能会产生较大的噪声和振动， 需要采取措施进行减振降噪。
05 特种电机的应用案例
伺服电机在自动化设备中的应用
伺服电机是一种能够实现精确控制的 电机，广泛应用于自动化设备中。它 能够快速响应控制信号，精确地跟踪 指令，从而实现高精度的定位、速度 和转矩控制。
工作原理与特性
特种电机的工作原理和普通电机类似 ，都是基于电磁感应原理，通过磁场 和电流相互作用产生转矩，使电机旋 转。
特性：特种电机具有高精度、高效率 、高可靠性、低噪音等特点，能够满 足特殊的工作需求。
应用领域
特种电机广泛应用于工业 自动化、机器人、医疗器 械、航空航天等领域。
在工业自动化领域，特种 电机用于生产线的传送、 定位和装配等环节。
步进电机是一种将电脉冲信号转 换为旋转角度或线性步进的电机。
工作原理
步进电机内部有多个相，当控制器 向电机发送脉冲信号时，电机内部 的相会依次通电，使电机按照一定 的步进旋转。
应用领域
步进电机广泛应用于打印机、扫描 仪、数控机床等需要精确控制位置 和速度的设备。
2024版《特种电机》课程教学大纲[1]
![2024版《特种电机》课程教学大纲[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/8d8be26e0622192e453610661ed9ad51f01d54b4.png)
随着科技的不断发展，特种电机的应用领域越来越广泛，对相关人才的需求也越来 越大。
2024/1/30
本课程旨在培养学生掌握特种电机的基本原理、设计方法和应用技能，为相关领域 输送合格人才。
4
教学目标与要求
掌握特种电机的基本原理和分类方法。 掌握特种电机的控制技术和调试方法。
了解特种电机的设计流程和制造工艺。
实验要求
学生需独立完成实验，提交实验报告，包括实验 数据、结果分析和心得体会。
实验二
特种电机控制系统设计与实现
实验目的
熟悉特种电机控制系统的设计流程，掌握相关控 制算法的实现方法。
2024/1/30
28
实验环节安排及要求
2024/1/30
实验内容
设计并实现一个简单的特种电机控制系统，包括硬件电路搭建 和软件编程。
2024/1/30
12
直流无刷电机
01
02
03
无电刷、低维护
直流无刷电机采用电子换 向器代替传统的机械电刷， 因此具有无电刷、低维护 的优点。
2024/1/30
高效节能
直流无刷电机在运行时能 够保持较高的效率和功率 密度，适用机具有较宽的 调速范围和平滑的调速特 性，能够满足各种复杂的 运动控制需求。
特种电机控制策略与方法
2024/1/30
16
控制策略概述
2024/1/30
特种电机控制策略的定义和分类
01
明确特种电机控制策略的基本概念，包括开环控制、闭环控制、
矢量控制、直接转矩控制等。
特种电机控制策略的发展历程
02
介绍特种电机控制策略的发展历程，以及未来发展趋势。
特种电机控制策略的应用领域
全套课件特种电机及其控制1
特种电机及其控制
41
无刷直流电动机的等效电路如图所示
VT1 VD1 VT3 VD3 VT5 VD5
US
A
B
C
VT4 VD4 VT6 VD6 VT2 VD2
ia
r LM + ea -
ib
r LM + eb -
ic
r LM + ec -
特种电机及其控制
42
1.4.2 无刷直流电动机的反电动势
无刷直流电动机气隙磁密及反电动势波形如下图所示
特种电机及其控制
30
2. 三三导通方式
三相绕组的反电动势波形及其三三导通方式下的导通规律
特种电机及其控制
31
1.2.3 角形连接三相桥式主电路
+
VT1
VT3
VT5
US
VT4
VT6
VT2
A
C CB
如图所示的角形联结三相桥式主电路的开关管也采用功率
MOSFET。与星形联结一样，角形联结的控制方式也有二二
式中 UT——开关器件的管压降； Ia ——电枢电流；
E ——线电动势，即电机的反电动势。
特种电机及其控制
46
对于三相六状态无刷直流电动机，任一时刻都有两相绕 组导通，故电机的反电动势为
式中
Ce
E
2Em
2 pW
15i
n
Ce
——电机的电动势常数，Ce
n
2 pW
15i
电枢绕组的电流为
Ia
US
2UT 2r
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
特种电机及其控制超声波电动机
4）1969 年，英国Salfod 大学的两名教授介绍了一种伺服压电电机，这种电 机采用二片式压电体结构，其速度、运动形式和方向都可以任意变化，响 应速度也是传统结构电机所不能及的。
5）美国IBM 公司的Barth 也在1973 年提出了一种超声波电动机的模型，从 而使这种新型电机可以实现真正意义上的工作。
返回
上一节
下一节
上一页 下一页
第6章 超声波电动机
A.行波的形成 3) 在USM中形成行波
USM的定子由环形弹性体和环形 压电陶瓷构成，压电陶瓷按图示 的规律极化，即可产生两个在时 间和空间上都相差90的驻波。
极化规律：将一片压电陶瓷环极化为A、B两相区，两相区之
间有/4的区域未极化，用作控制电源反馈信号的传感器，另
第6章 超声波电动机
B.弹性体表面的椭圆运动
设弹性体厚度为h。若弹性 体表面任一点P在弹性体未 挠曲时的位置为P0，则从 P0到P在y方向的位移为
y
0
sin
2
x
0t
h (1 cos )
2
由于行波的振幅比行波的波长小得多，弹性体弯曲的角度 很小，故y方向 的位移近似为
y
0
s
in
2
x
0t
返回
上一页 下一页
第6章 超声波电动机
2 超声波电动机的发展
超声波电动机的发展大体可分为以下三个阶段：
• 探索阶段(1948年——20世纪70年代末)
•
Байду номын сангаас
USM 原型出现
• 实用化阶段(20世纪70年代末——80年代末)
商用USM 产品出现
• 深层次研究(20世纪90年代——)
电机学(自学完整版)课件
18十月2023
《电机学》 第一章 导论
20
2. 电机的近代发展及趋势
单机容量不断增加
·如汽轮发电机：
1900 1920 1937空气冷却
氢气冷却
5MVA 25MVA 100MVA 150MVA
1956水 肉冷 1960 目前
208VA 320MVA >1000MVA
中小型电机技术与经济指标不断改进 ·新的设计方法 (CAD)、 工艺、材料、测试手段 应用范围扩大
18十月2023
14
《电机学》 第一章 导 论
发电
·我国老牌电机厂：
哈尔滨电机厂 上海电机厂
·四川：
德阳东方电机厂
上海电机厂的生产车间
18十月2023
《电机学》 第一章 导
15
论
发电
18十月2023
《电机学》 第一章 导论
16
动力
应用于洗衣机
用于有轨电车牵引的电动机 18十月2023
《电机学》 第一章 导论
39
※ 铁修材料具有的特点
它的磁化曲线具有饱和性，磁导率μpe不是常数，且随H 的变化而变化。
L. μ 变化 2. 总体非线性 3. 存在饱和特性
个= μ
18十月2023
《电机学》 第一章 导论
40
B=f(H)
B
C
b
μre =f(H)
a
B=₀H H
图1-6 铁磁材料的磁化曲线 (p16)
18十月2023
若线圈不动，穿过线圈的磁通随时间变化，则线圈中感应 的电动势——变压器电势
中=中m sin wt
感应电动势有效值：
18十月2023
28
《电机学》 第一章 导 论
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
特种电机及其控制
8
传感器：H1=1 H2=0 H3=1 导通相：B
特种电机及其控制
9
1.1 无刷直流电动机系统
1.1.1 基本组成
直流电 源 逆变器 电机本体 输出
位置检测器 控制信号 控制器
无刷直流电机构成框图
特种电机及其控制
10
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
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。 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
2) 桥式——全控型
A US D B
C
f) 封闭形联结四相桥式主电路
特种电机及其控制
18
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 检测
26
特种电机及其控制
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
H1 H2 H3
VT1
VT2
VT3
特种电机及其控制
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
2. 逆变器
1) 非桥式（半桥式）——半控型
US A B C
US A B C D
a) 三相半桥主电路
b) 四相半桥主电路
特种电机及其控制
14
2. 逆变器
2) 桥式——全控型
VT1 US VD1 VT3 VD3 VT5 VD5 A
VT4
VD4
VT6
VD6
VT2
VD2
C
B
c) 星形联结三相桥式主电路
特种电机及其控制
孙建忠 白凤仙 编著
中国水利水电出版社
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)
2
大连理工大学电气工程系
三相三状态BLDCM 原理
传感器：H1=1 H2=0 H3=1 导通相：B
31
2. 三三导通方式
三相绕组的反电动势波形及其三三导通方式下的导通规律
特种电机及其控制
32
1.2.3 角形连接三相桥式主电路
+ VT1 US C VT4 VT6 VT2 C B VT3 VT5 A
如图所示的角形联结三相桥式主电路的开关管也采用功率 MOSFET。与星形联结一样，角形联结的控制方式也有二 二导通和三三导通两种。
特种电机及其控制
3
传感器：H1=1 H2=0 H3=0 导通相：B
特种电机及其控制
4
传感器：H1=1 H2=1 H3=0 导通相：C
特种电机及其控制
5
传感器：H1=0 H2=1 H3=0 导通相：C
特种电机及其控制
6
传感器：H1=0 H2=1 H3=1 导通相：A
特种电机及其控制
7
传感器：H1=0 H2=0 H3=1 导通相：A
特种电机及其控制
37
m m m Fadm Fasin 2F sin 2I aW K wsin 2 2 2
式中
F ——每相绕组的磁动势； W——每相绕组的串联匝数；
Kw——绕组系数。
由于在无刷直流电动机中磁状态角比较大，直轴电枢反
应磁动势可以达到相当大的数值，为了避免使永磁体发 生永久失磁，在设计时必须予以注意。
M L M
M ia ea d i e M dt b b L ic ec
微 分 算 子 组定 电子 动相 势绕
自定 感子 、相 互绕 感组
特种电机及其控制
41
当三相绕组为Y连接，且没有中线，则：
ia+ib+ic=0 Mia+Mib=-Mic Mib+Mic=-Mia Mia+Mic=-Mib
dic dib rib eb ( LM ric ec ) U S LM dt dt ib ic 0
以上两式构成了无刷直流电动机的线电压模型
特种电机及其控制
46
1.4.4 无刷直流电动机稳态性能的简化分析
为了简化分析，假设不考虑开关器件动作的过渡过程，并
(b) 定转子实际结构
无刷直流电动机结构
特种电机及其控制
11
N S N
S
N
N N S S N S S S S N N N
S
S
N
N
S
N S
S N
S N
表面式磁极
嵌入式磁极
环形磁极
内转子结构形式
特种电机及其控制
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
特种电机及其控制
33
1. 二二导通方式
电枢绕组的反电动势波形及其角形联结二二导通方式的导通规律
特种电机及其控制
34
2. 三三导通方式
电枢绕组的反电动势波形及其角形联结三三导通方式的导通规律
特种电机及其控制
35
1.3 无刷直流电动机的电枢反应
电动机负载时电枢绕组产生的磁场对主磁场的影响称为 电枢反应。 电枢绕组的合成磁动势变化如下图所示
工作原理
转子每转过60o，逆变器开关管换流一次、定子磁状 磁极转过60o图示位置→ 磁极图示位置→位置信号 态改变一次，电机有6个磁状态，三相各导通120o— 位置信号→逻辑变换 →逻辑变换→V1、V6开通 —两相导通三相六状态 →V1、V2 开通→ A、C → A、B相导通→I:E+-A转子磁场顺时针连续旋转、定子磁场隔60O跳跃旋转 相导通→I: E+-A-C-EB-E- →电机顺时针旋转 →电机顺时针旋转 ——自同步电机
磁敏式 光电式 电磁式 接近开关式 正余弦变压器 编码器
位 置 检 测 器
无位 置传 感器 检测
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
特种电机及其控制
20
4. 控制器
模拟 控制 系统
分立元件加少量集 成电路构成的模拟 控制系统
控 制 器
数字 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
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 O
B O
t
t
ea O
ea O
t
t
ia O
ia O
t
t
Ta O Te
Ta O Te
t
t
O
t
O
t
(a) 无刷直流电动机
(b) 永磁同步电动机
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。 特种电机及其控制 22
特种电机及其控制
44
设电枢绕组导体的有效长度为La，导体的线速度为v，则 单根导体在气隙磁场中感应的电动势为
2 p n v n 60 60
e B La v D
(V) (m/s)
如电枢绕组每相串联匝数为W，则每相绕组的感应电动 势幅值为
E m 2W e
pW 15 i
n Ce n
特种电机及其控制
38
1-4 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
特种电机及其控制
39
1.4.1 无刷直流电动机的数学模型
直接利用电动机本身的相变量来建立数学模型
假设
(1) 电动机的气隙磁感应强度在空间呈梯形(近 似为方波)分布； (2) 定子齿槽的影响忽略不计； (3) 电枢反应对气隙磁通的影响忽略不计； (4) 忽略电机中的磁滞和涡流损耗；
所以得电压方程：
0 0 ia ea ua r 0 0 ia L M u 0 r 0 i 0 L M d i e 0 b b dt b b uc 0 0 r ic 0 0 L M ic ec
(5) 三相绕组完全对称。
特种电机及其控制
40
三相绕组的电压平衡方程为
ua r 0 0 ia L u 0 r 0 i M b b uc 0 0 r ic M
定 组 子 电 相 压 绕 定 组 子 电 相 流 绕
8
传感器：H1=1 H2=0 H3=1 导通相：B
特种电机及其控制
9
1.1 无刷直流电动机系统
1.1.1 基本组成
直流电 源 逆变器 电机本体 输出
位置检测器 控制信号 控制器
无刷直流电机构成框图
特种电机及其控制
10
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
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。 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
2) 桥式——全控型
A US D B
C
f) 封闭形联结四相桥式主电路
特种电机及其控制
18
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 检测
26
特种电机及其控制
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
H1 H2 H3
VT1
VT2
VT3
特种电机及其控制
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
2. 逆变器
1) 非桥式（半桥式）——半控型
US A B C
US A B C D
a) 三相半桥主电路
b) 四相半桥主电路
特种电机及其控制
14
2. 逆变器
2) 桥式——全控型
VT1 US VD1 VT3 VD3 VT5 VD5 A
VT4
VD4
VT6
VD6
VT2
VD2
C
B
c) 星形联结三相桥式主电路
特种电机及其控制
孙建忠 白凤仙 编著
中国水利水电出版社
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)
2
大连理工大学电气工程系
三相三状态BLDCM 原理
传感器：H1=1 H2=0 H3=1 导通相：B
31
2. 三三导通方式
三相绕组的反电动势波形及其三三导通方式下的导通规律
特种电机及其控制
32
1.2.3 角形连接三相桥式主电路
+ VT1 US C VT4 VT6 VT2 C B VT3 VT5 A
如图所示的角形联结三相桥式主电路的开关管也采用功率 MOSFET。与星形联结一样，角形联结的控制方式也有二 二导通和三三导通两种。
特种电机及其控制
3
传感器：H1=1 H2=0 H3=0 导通相：B
特种电机及其控制
4
传感器：H1=1 H2=1 H3=0 导通相：C
特种电机及其控制
5
传感器：H1=0 H2=1 H3=0 导通相：C
特种电机及其控制
6
传感器：H1=0 H2=1 H3=1 导通相：A
特种电机及其控制
7
传感器：H1=0 H2=0 H3=1 导通相：A
特种电机及其控制
37
m m m Fadm Fasin 2F sin 2I aW K wsin 2 2 2
式中
F ——每相绕组的磁动势； W——每相绕组的串联匝数；
Kw——绕组系数。
由于在无刷直流电动机中磁状态角比较大，直轴电枢反
应磁动势可以达到相当大的数值，为了避免使永磁体发 生永久失磁，在设计时必须予以注意。
M L M
M ia ea d i e M dt b b L ic ec
微 分 算 子 组定 电子 动相 势绕
自定 感子 、相 互绕 感组
特种电机及其控制
41
当三相绕组为Y连接，且没有中线，则：
ia+ib+ic=0 Mia+Mib=-Mic Mib+Mic=-Mia Mia+Mic=-Mib
dic dib rib eb ( LM ric ec ) U S LM dt dt ib ic 0
以上两式构成了无刷直流电动机的线电压模型
特种电机及其控制
46
1.4.4 无刷直流电动机稳态性能的简化分析
为了简化分析，假设不考虑开关器件动作的过渡过程，并
(b) 定转子实际结构
无刷直流电动机结构
特种电机及其控制
11
N S N
S
N
N N S S N S S S S N N N
S
S
N
N
S
N S
S N
S N
表面式磁极
嵌入式磁极
环形磁极
内转子结构形式
特种电机及其控制
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
特种电机及其控制
33
1. 二二导通方式
电枢绕组的反电动势波形及其角形联结二二导通方式的导通规律
特种电机及其控制
34
2. 三三导通方式
电枢绕组的反电动势波形及其角形联结三三导通方式的导通规律
特种电机及其控制
35
1.3 无刷直流电动机的电枢反应
电动机负载时电枢绕组产生的磁场对主磁场的影响称为 电枢反应。 电枢绕组的合成磁动势变化如下图所示
工作原理
转子每转过60o，逆变器开关管换流一次、定子磁状 磁极转过60o图示位置→ 磁极图示位置→位置信号 态改变一次，电机有6个磁状态，三相各导通120o— 位置信号→逻辑变换 →逻辑变换→V1、V6开通 —两相导通三相六状态 →V1、V2 开通→ A、C → A、B相导通→I:E+-A转子磁场顺时针连续旋转、定子磁场隔60O跳跃旋转 相导通→I: E+-A-C-EB-E- →电机顺时针旋转 →电机顺时针旋转 ——自同步电机
磁敏式 光电式 电磁式 接近开关式 正余弦变压器 编码器
位 置 检 测 器
无位 置传 感器 检测
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
特种电机及其控制
20
4. 控制器
模拟 控制 系统
分立元件加少量集 成电路构成的模拟 控制系统
控 制 器
数字 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
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 O
B O
t
t
ea O
ea O
t
t
ia O
ia O
t
t
Ta O Te
Ta O Te
t
t
O
t
O
t
(a) 无刷直流电动机
(b) 永磁同步电动机
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。 特种电机及其控制 22
特种电机及其控制
44
设电枢绕组导体的有效长度为La，导体的线速度为v，则 单根导体在气隙磁场中感应的电动势为
2 p n v n 60 60
e B La v D
(V) (m/s)
如电枢绕组每相串联匝数为W，则每相绕组的感应电动 势幅值为
E m 2W e
pW 15 i
n Ce n
特种电机及其控制
38
1-4 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
特种电机及其控制
39
1.4.1 无刷直流电动机的数学模型
直接利用电动机本身的相变量来建立数学模型
假设
(1) 电动机的气隙磁感应强度在空间呈梯形(近 似为方波)分布； (2) 定子齿槽的影响忽略不计； (3) 电枢反应对气隙磁通的影响忽略不计； (4) 忽略电机中的磁滞和涡流损耗；
所以得电压方程：
0 0 ia ea ua r 0 0 ia L M u 0 r 0 i 0 L M d i e 0 b b dt b b uc 0 0 r ic 0 0 L M ic ec
(5) 三相绕组完全对称。
特种电机及其控制
40
三相绕组的电压平衡方程为
ua r 0 0 ia L u 0 r 0 i M b b uc 0 0 r ic M
定 组 子 电 相 压 绕 定 组 子 电 相 流 绕