精选自动控制元件 哈工大出版 第六章课件 无刷直流电动机1112i.pptVIP

2011-2012学年第一学期 * 概述 用电子开关电路和位置传感器代替电刷和换向器，具有直流电动机的优点，又无电刷。 不用电刷的换向器——电子换向器。 优点：力矩大，控制容易。 缺点:结构比较复杂。 应用：越来越多 。 * 6.1 无刷直流电动机的结构 电动机本体、位置传感器和电子控制与开关电路三部分。 电枢绕组放在定子上，磁极放在转子上，结构简单。 转子是永磁磁极。 电枢绕组是多相绕组，常用的是三相对称绕组。各相绕组与开关电路中的功率开关元件连接。 * 6.2 位置传感器 作用：检测转子磁场相对于定子绕组的位置，并发出信号，控制功率放大元件通、断或改变定子绕组的电流 。 种类： 1）霍尔元件，位置测量精度低，但结构简单，价格低。 2）以旋转变压器、光电码盘为代表的通用角位移传感器，位置测量精度高，但结构复杂，价格高 。 霍尔元件：利用霍尔效应的半导体器件 。 电势、电流和磁密的方向符合右手定则，即磁密B垂直穿过右手心，四指指向电流方向，则拇指的方向就是电势的正方向。 检测磁场的大小和方向。 * 6.3 无刷直流电动机的工作原理 6.3.1霍尔电机工作原理 1. 两极四相电机 * 2.两极三相电机 6个通电状态(双绕组） * 无刷直流电机工作原理： 定子绕组轮流导电，形成步进式旋转磁场，带动转子不断转动。 步进电机绕组换流由外加脉冲信号控制。无刷直流电机绕组换流信号来自本身的传感器。 上述无刷电机定、转子磁场轴线夹角θ为90o左右，与直流电机相似。 6.3 无刷直流电动机的工作原理 * 绕组通电的不同状态的数目记为N，设绕组相数为m，则有 －例如，前述2极4相电机，单相通电，N＝4；2极3相电机双向通电，N＝6。 每相绕组导电时，转子所能转过的空间角度（电角）称为导通角。对于3相和4相电机， 电枢磁势磁场轴线不变，转子所能转过的角度（电角）称为磁状态角，它就是磁势向量图中相邻磁势向量的夹角。磁势向量的数目等于状态数N，故有， 定子和转子磁势夹角（电角）为 6.3.2 通电状态与磁状态角 6.3 无刷直流电动机的工作原理 * 定子和转子磁场间的力矩为 变化范围较大，无刷直流电动机瞬时转矩波动较大。 电机幅频特性总是随频率的升高而下降。所以电磁转矩波动的不利影响，低速时较大。 6.3.4 单向转动的电机与可逆转的电机 位置传感器的输出信号处理电路不同，功放电路 不同。差别较大。 6.3.3 转矩波动 6.3 无刷直流电动机的工作原理 * 6.3.5 动态方程 无刷直流电动机就是采用电子换向器的直流电机。 电压平衡方程式和转矩平衡方程式分别为 动态方程、动态框图、传递函数与直流电动机完全相同。 控制无刷直流电机的电压就可以调节电动机的速度。 6.3 无刷直流电动机的工作原理 * 6.4 交流伺服电动机 名称：永磁交流伺服电动机，无刷直流伺服电动机，永磁同步伺服电动机，自控式同步电动机。 机电一体化装置，包括电动机本体，角位移传感器，电子控制与功率放大电路。用DSP或专用集成电路芯片作控制器。 在早期的无刷直流电动机的基础上，对传感器、控制器、功率开关放大电路等不断采用新技术进行更新换代的产品。 一般为三相绕组。气隙磁密分布、相电流波形控制等方面，与前述无刷直流电机不同，性能更优越。 * 6.4.1 矩形波电流驱动的交流伺服电动机 三相六状态无刷直流电机。 气隙磁密与感应电势为阶 梯波。 由控制电路使电流为恒值， 相位与电势平坦部分相同。 理论上电磁转矩无波动。 实际电机存在力矩波动。 6.4 交流伺服电动机 * 6.4.2 正弦波电流驱动 气隙磁密与感应电势为正 弦波。 通过转子位置传感器检测 出转子相对于定子的位置， 由控制电路和功放电路的 电流环使电流为正弦波， 相位与感应电势相同。 理论上电磁转矩无波动。 实际上存在小的力矩波动。 6.4 交流伺服电动机 * 6.4.3 交流伺服电动机的选用 两种驱动方式的功率放大器都是PWM电路，对电路会产生严重的脉冲电压扰动。 矩形波驱动时位置传感器要求低，采用霍尔元件，电流环的结构也较简单，成本较低。但力矩波动大，波纹系数5％或6％。满足性能要求时，优先选用矩形波驱动方式。 正弦波驱动时电流波形光滑，因此电机低速平稳性好，力矩波动系数小，可达到1％。定子绕组工艺较复杂。必须采用高分辨率的转子位置传感器，如旋转变压器或光电码盘。驱动器中电流环复杂。系统成本高。要求力矩波动小，低速大转矩运行且要求速度精度或位置精度很高时，可选用正弦波方式驱动。 6.4 交流伺服电动机 * 6.4.4 全数字式交流伺服系统 包括两大部件：电机与驱动器。电机部件