交直流传动控制系统c.ppt

第7章 无刷直流电动机控制系统 有刷直流电动机以它具有线性机械特性、宽调速范围、大起动转矩、较高效率、简单的控制电路等优点，在运动控制系统中得到广泛的应用。但它的电刷和换向器带来了可靠性较低、需经常维护等弱点。 无刷直流电动机具有直流电机良好的调速特性，但由于没有换向器，因而可做成无接触式，具有结构简单、制造方便、不需要经常性维护等优点，是一种理想的变速电机。无刷直流电动机可看成是一个定转子倒置的直流电动机。普通直流电动机的电枢绕组在转子上，永磁体则在定子上，参见图7.0.1。 无刷直流电动机关键特征 1）本质上是多相交流电动机，但经控制获得类似直流电动机 的特性； 2）需要多相逆变器驱动； 3）由于没有电刷和换向器，即使在很高的转速下，可得到较 高的可靠性； 4）电枢绕组在定子上，散热好； 5）较普通有刷直流电动机效率高、体积小； 6）低的EMI； 7）总系统成本比直流电动机高； 8）可实施无传感器控制； 无刷直流电动机的特点及其应用： 无刷直流电动机具有高效率、高转矩、高精度的特点，适合使用在24小时连续运转的产业机械及空调冷冻主机、风机水泵、空气压缩机负载；低速高转矩及高频繁正反转不发热的特性，更适合应用于机床工作母机及牵引电机的驱动；其稳速运转精度比直流有刷电机更高,比矢量控制或直接转矩控制速度闭环的变频驱动还要高，性价比更好，是现代化调速驱动的最佳选择。 无刷直流电动机在先进国家已大量应用于军事、信息业(IT)、办公设备(OA)、家电业(HA)、DIY手动工具、伺服系统、电动汽车、电瓶车、磁悬浮列车等，永磁无刷直流发电机在中小型风力发电系统中广泛应用。 7.1 无刷直流电动机的组成结构 和工作原理 无刷直流电动机和一般的永磁有刷直流电动机相比，在结构上有很多相近或相似之处，用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极，用具有三相绕组的定子取代电枢，用逆变器和转子位置检测器组成的电子换向器取代有刷直流电动机的机械换向器和电刷，就得到了三相永磁无刷直流电动机。 1. 无刷直流电动机的结构特点 无刷直流电动机属于三相永磁同步电动机的范 畴，永磁同步电动机的磁场来自电动机转子上 的永久磁铁，永久磁铁的特性，在很大程度上 决定了电动机的特性，目前采用的永磁材料主 要有铁淦氧、铝镍钴、钕铁硼以及SmCO5和 Sm2CO17。 常用永久磁铁的磁特性如图7.1.1所示。 在转子上安置永久磁铁的方式有两种，如图7.1.2所示。一种是将成型永久磁铁装在转子表面，即所谓外装式；另一种是将成型永久 磁铁埋入转子里面，即所谓内装式。 （1）根据永久磁铁安装在转子上的方法不同，永久磁铁的形状可分为扇形和矩形两种，永久磁铁转子的不同结构如图7.1.3所示。 扇形磁铁构造的转子具有电枢电感小，齿槽效应转矩小的优点。但易受电枢反应的影响，且由于磁通不可能集中，气隙磁密度低，电极呈现凸极特性。 矩形磁铁构造的转子呈现凸极特性，电枢电感大，齿槽效应转矩大。但磁通可集中，形成高磁通密度，故适于大容量电动机。由于电动机呈现凸极特性，可以利用磁阻转矩。此外，这种转子结构的永久磁铁不易飞出，故可适合于高速运转。 （2）根据确定的转子结构所对应的每相励磁磁势分布的不同，三相永磁同步电动机可分为两种类型：正弦波型和方波型永磁同步电动机。 正弦波型每相励磁磁势分布是正弦波状； 方波型每相励磁磁势分布呈方波状。 稀土永磁方波型电动机属于永磁无刷直流电动机的范畴，而稀土永磁正弦波型电动机则一般作为三相交流永磁同步伺服电动机来使用。但这不是绝对的，究竟是三相永磁无刷直流电动机(无刷直流电动机)还是三相交流永磁同步伺服电动机主要取决于电动机控制系统的控制方式，取决于电动机的转子位置传感器的类型。 2. 无刷直流电动机的转子位置传感器 转子的位置检测器有多种，正弦波永磁同步电动 机一般采用旋转变压器、绝对式光电脉冲编码器 或增量式光电脉冲编码器作为位置检测元件，而 在永磁无刷直流电动机（方波电动机）中，一般 采用简易型的位置检测器，该器件不能用来检测 转子的精确位置，主要作用是为了满足电动机换 相的要求。 位置传感器是无刷直流电动机系统的组成部分之一，也是区别于有刷直流电动机的主要标志。其作用是检测主转子在运动过程中的位置，将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，以控制它们的导通与截止，使电动机电枢绕组中的电流随着转子位置的变化按次序换向，形成气隙中步进式的旋转磁场，驱动永磁转子连续不断地旋转。 位置传感器有电磁式、光电式、磁敏式等多种，它们各具特点。 磁敏式霍尔位置传感器结构简单、体积小、安装