无刷直流电机运行原理与基本控制方法

1主要内容一、几个术语解释（极对数、相数、电角度、电角频率、相电压、线电压、反电动势）二、无刷直流电机的运行原理（运行原理、数学模型）三、无刷直流电机的基本控制方法（各参数相互关系、换流过程与换流模式）四、车用无刷直流电机及其控制系统（基本控制、弱磁控制）22几个术语解释•极对数（）：电机转子中N-S极的对数，2，3，4，……•相数（）：电机绕组个数，3，6，12，……•电角度（）/机械角度（）：•电角频率（）/机械角频率（）：•电角频率与电机转速（）：•极（2p）槽（Z）配合：Z/2p•相电压：电机相绕组对电机中性点电压•线电压：电机两相绕组之间电压•反电动势：电机到拖时某一转速下对应电机线电压峰值eep2mnpepepne60dtee33几个术语解释dU1T5T3T4T6T2T1D3D5D4D6D2DoaibiciaebecedCABC44无刷直流电机的组成无刷直流电机组成部分：电机本体、位置传感器、电子开关线路；电机本体在结构上与永磁同步电动机相似；电子开关线路由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两部分组成；电子开关线路导通次序是与转子转角同步的，起机械换向器的换向作用。+-ABCA’B’C’1V2V3V位置传感器无刷直流电机电子开关线路55120度导通时转子位置与电流换相关系a)0度（换相前）b)0度（换相后）c)60度（换相前）d)60度（换相后）e)120度（换相前）f)120度（换相后）A'AB'BC'CC'B'AAB'CC'BA'AB'C'ACB'B'CA'AC'BB'CA'AC'BA'CBa)b)c)d)e)f)rrrrrrsso60o60o120o12066HALL状态与PWM、三相反电势和三相相电流的对应关系aPWMbPWMcPWMaHallbHallcHallttt61TT23TT43TT45TT65TT21TT61TTaibicittt61TT23TT43TT45TT65TT21TT61TTaebecettt101100110010011001101120无刷直流电机的电流和感应电动势具有以下特点：（1）感应电动势为三相对称的梯形波，其波顶宽为（2）电流为三相对称的方波；（3）梯形波反电势与方波电流在相位上严格同步。77无刷直流电机的数学模型采用理想化的直流无刷电机用状态方程表示的数学模型，电流为理想的方波，反电势为理想的梯形波，并作如下假设：（1）不计磁路饱和；（2）电机涡流损耗和磁滞损耗；（3）忽略定子电流的电枢反应；（4）定子绕组采用Y形接法。CBACBACBACBAeeeiiiMLMLMLpiiiRRRuuu000000000000AeBeCeMLMLMLRRRAuBuCu无刷直流电机的等效电路88无刷直流电机的数学模型ONONONCBACBACBACNBNANuuueeeiiiMLMLMLpiiiRRRuuu0000000000003CBACNBNANONeeeeeeuCCBBAArnemieieiepTrrrnLemfdtdJpTT199无刷直流电机的数学模型在任何时刻，定子上只有两相同时导通，且导通相的定子电流幅值保持不变：IEpieieiepTrnCCBBAArnem2rgrlBNEIKIrlBNTMgem2lrNBKgM2称为转矩系数1010无刷直流电机的电路模型dU1T5T3T4T6T2T1D3D5D4D6D2DoaibiciaebecedCABC逆变器—永磁无刷电机系统示意图dUdC61~TT61~DD61~TT为直流电源（V）；为中间直流回路支撑（滤波）电容（F）；为6个功率开关管；为6个续流二极管；采用120º的两两导通方式，对分别在各自120º导通时间内根据不同的调制方式进行PWM调制。1111无刷直流电机的相电流分析1212无刷直流电机的换相电流t0ftAiBiCisIsIit0ftAiBiCi'ftsIsIit0AiBiftftCisIsIitLEUIiMsdcsA32tLEUiMsdcB3)(2tLEUIiMsdcsC341313无刷直流电机的反电动势1414无刷直流电机的换流模式（1）pwm-on型调制方式（2）on-pwm型调制方式ttt1T2T3T4T5T6T603001201802403604200tttttt1T2T3T4T5T6T603001201802403604200ttt1515无刷直流电机的换流模式（3）H_on-L_pwm型调制方式（4）H_pwm-L_on型调制方式ttt1T2T3T4T5T6T603001201802403604200tttttt1T2T3T4T5T6T603001201802403604200ttt1616无刷直流电机的换流模式（5）L_pwm-H_pwm型调制方式（6）on-on型调制方式ttt1T2T3T4T5T6T603001201802403604200tttttt1T2T3T4T5T6T603001201802403604200ttt1717无刷直流电机的仿真结果（1）pwm-on型调制方式（2）on-pwm型调制方式(N)400(A)-200(A)400(A)(N)-200(A)1818无刷直流电机的换流模式（3）H_on-L_pwm型调制方式（4）H_pwm-L_on型调制方式(N)400(A)-200(A)(N)400(A)-200(A)1919无刷直流电机的换流模式（5）L_on-H_pwm型调制方式(N)400(A)-200(A)调制方式转矩脉动仿真结果上桥下桥pwm-on20％20％on-pwm30％30％H_pwm-L_on18.5％37.5％H_on-L_pwm33.8％15.4％H_pwm-L_pwm42.4%42.4%2020无刷直流电机的换流模式（1）采用pwm-on方式时，下桥换相和上桥换相的换相转矩脉动相等，且最小；非换向相电流脉动也是最小的；（2）采用on-pwm方式时，下桥和上桥换相转矩脉动相等且比pwm-on方式大，非换向相电流脉动也比pwm-on方式时大。（3）采用H_pwm-L_on方式时，下桥换相转矩脉动和非换向相电流脉动大且与on-pwm方式时的转矩脉动和电流脉动相等，上桥换相转矩脉动和非换向相电流脉动小且与pwm-on方式时的转矩脉动和电流脉动相等。（4）采用H_on-L_pwm方式时，下桥换相转矩脉动和非换向相电流脉动小且与pwm-on方式时的转矩脉动和电流脉动相等，上桥换相转矩脉动和非换向相电流脉动大且与on-pwm方式时的转矩脉动和电流脉动相等。（5）采用H_pwm-L_pwm方式时，换相转矩脉动最大且非换向相电流脉动也最大。2121无刷直流电机的电路模型aPWMbPWMcPWMaHallbHallcHallttt61TT23TT43TT45TT65TT21TT61TTaibicittt61TT23TT43TT45TT65TT21TT61TTaebecettt10110011001001100110116TT21TT32TT43TT54TT65TTHALL状态101100110010011001导通功率管2222dU1T5T3T4T6T2T1D3D5D4D6D2DOdU1T5T3T4T6T2T1D3D5D4D6D2DO单侧调制下桥臂换向过程分析T1、T2同时导通T1关断、T2导通23单侧调制上桥臂换向过程分析dU1T5T3T4T6T2T1D3D5D4D6D2DOT2、T3同时导通T3关断、T2导通dU1T5T3T4T6T2T1D3D5D4D6D2DO24dU1T5T3T4T6T2T1D3D5D4D6D2DOdU1T5T3T4T6T2T1D3D5D4D6D2DO双侧调制下桥臂换向过程分析T1、T2同时导通T1、T2同时关断25dU1T5T3T4T6T2T1D3D5D4D6D2DOdU1T5T3T4T6T2T1D3D5D4D6D2DO双侧调制上桥臂换向过程分析T2、T3同时导通T2、T3同时关断26功率管开通，转矩脉动相同；功率管关断，单侧调制转矩脉动大于双侧调制转矩脉动；单侧调制存在相见续流现象，换相时间长；双侧调制引入直流母线电压到续流回路，产生反电压，换相时间短；单侧调制较双侧调制损耗小。不同调制方式的转矩脉动对比分析27无刷直流电机的相电流分析2828无刷直流电机的相电流分析2929无刷直流电机的相电流分析3030无刷直流电机的相电流分析3131无刷直流电机的制动控制dLdCcRcLLiQiDiQDontofftT1DdUOUOR212ddTRLOddUUdO112212dOddOLTRdLUU升压斩波器原理3232无刷直流电机的制动控制aPWMbPWMcPWMaHallbHallcHalltttaibicitttaebecettt1011001100100110011010603604203002401801206T2T4T4T6T2T4T4T4T6T6T2T2THALL状态101100110010011001导通功率管3333无刷直流电机的制动控制dU1T5T3T4T6T2T1D3D5D4D6D2DOdU1T5T3T4T6T2T1D3D5D4D6D2DOT4开通时电流流向T4关断时的电流流向3434无刷直流电机的制动控制dU1T5T3T4T6T2T1D3D5D4D6D2DOdU1T5T3T4T6T2T1D3D5D4D6D2DOT6开通时电流流向T6关断时的电流流向3535无刷直流电机的制动控制aPWMbPWMcPWMaHallbHallcHalltttaibicitttaebecettt1011001100100110011010603604203002401801206T2T4T4T6T2T4THALL状态101100110010011001导通功率管16TT21TT32TT43TT54TT65TT3636无刷直流电机的制动控制dU1T5T3T4T6T2T1D3D5D4D6D2DOdU1T5T3T4T6T2T1D3D5D4D6D2DOT3、T4关断时电流流向T4、T5导通时的电流流向3737无刷直流电机的制动控制dU1T5T3T4T6T2T1D3D5D4D6D2DOdU1T5T3T4T6T2T1D3D5D4D6D2DOT4、T5关断时电流流向（iB0）T4、T5关断时的电流流向（iB=0）3838无刷直流电机的制动控制dU1T5T3T4T6T2T1D3D5D4D6D2D