1、特种电机及其控制1特种电机及其控制大连理工大学电气工程系2Permanent Magnet Brushless DC Motors(PM BLDCMs)特种电机及其控制3三相三状态BLDCM 原理传感器：H1=1 H2=0 H3=1导通相：B特种电机及其控制4传感器：H1=1 H2=0 H3=0导通相：B特种电机及其控制5传感器：H1=1 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=0导通相：C特种电机及其控制7传感器：H1=0 H2=1 H3=1导通相：A特种电机及其控制8传感器：H1=0 H2=0 H3=1导通相：A特种电机及其控制9传感器：H1=1 H
2、2=0 H3=1导通相：B特种电机及其控制101.1.1 基本组成 位位 置置 检检 测测 器器 逆逆 变变 器器 电电 机机 本本 体体 控控 制制 信信 号号 控控 制制 器器 输输 出出 直直 流流 电电 源源 无刷直流电机构成框图特种电机及其控制11 定定子子 永永磁磁转转子子 传传感感器器定定子子 传传感感器器转转子子(a)结构示意图(b)定转子实际结构 特种电机及其控制12 N S N S N S N S 表面式磁极 N N N N N N S S S S S S 嵌入式磁极 N S N S N S N S 环形磁极 内 特种电机及其控制13实际电机 外外转转子子 绕绕组组 永永磁
3、磁体体 内内定定子子 结构示意图 特种电机及其控制14 US A B C D b)四相半桥主电路 US A B C a)三相半桥主电路1)非桥式（半桥式）半控型特种电机及其控制152)桥式全控型c)星形联结三相桥式主电路 US VD1 VD4 VT1 VT4 VD5 VD2 VT3 VT6 VD3 VD6 VT5 VT2 A B C 特种电机及其控制16d)三角形联结三相桥式主电路 2)桥式全控型 US VD1 VD4 VT1 VT4 VD5 VD2 VT3 VT6 VD3 VD6 VT5 VT2 A B C 特种电机及其控制172)桥式全控型e)正交两相全控型主电路 US A B 特种电机及
4、其控制182)桥式全控型f)封闭形联结四相桥式主电路 US A B C D 特种电机及其控制19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20位置检测器有位置传感器检测无位置传感器检测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特种电机及其控制21控制器模拟控制系统 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 是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服
5、 功能的指挥中心 特种电机及其控制22永磁无刷直流永磁无刷直流电机系统图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23工作原理工作原理磁极图示位置位置信号逻辑变换V1、V6开通 A、B相导通I:E+-A-B-E-电机顺时针旋转磁极转过60o图示位置位置信号逻辑变换V1、V2 开通 A、C相导通I:E+-A-C-E-电机顺时针旋转转子每转过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，三相各导通120o转子磁场
6、顺时针连续旋转、定子磁场隔60O跳跃旋转特种电机及其控制24两相导通星形三相六状态时绕组和开关管导通顺序表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25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。无刷直流电动机与永磁同步电动机两种驱动模式的波形比较如下图所示。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。特种电机及其控制26 ia B B ea ea ia Ta Ta Te Te t t t t t
7、 t t t t t O O O O O O O O O O(a)无刷直流电动机(b)永磁同步电动机 特种电机及其控制27 VT3 US A B C VT1 VT2 H1 H2 H3 特种电机及其控制28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。0 120 240 360 480 t 0 120 240 360 480 t 0 120 240 360 480 t H1 H2 H3 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。特种电机及其控制29 VT
8、2 VT6 VT4 VT1 VT3 VT5 A B C+US -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：。特种电机及其控制30 电机的瞬时电磁转矩可由电枢绕组的电磁功率求得：a abbc ceEiEiEiT式中Ea、Eb、EcA、B、C三相绕组的反电动势；ia、ib、icA、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31三相绕组的反电动势波形及其二二导通方式下的导通规律 特种电机及其控制32 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
9、机及其控制33 V T2 V T6 V T4 V T1 V T3 V T5 C +US -A C B 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34 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35 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36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 A Z B X C Y Fa Fr N S I Faq Fad II 特种电机及其控制37 A Z
10、 B X C Y Fa Fr N S I Faq Fad II 可见，在一个磁状态范围内，电枢磁动势在刚开始为最大去磁，然后去磁磁动势逐渐减小；在1/2磁状态时既不去磁也不增磁；在后半个磁状态内增磁逐渐增大，最后达到最大值。增磁和去磁磁动势的大小等于电枢合成磁动势Fa在转子磁极轴线上的投影，其最大值为特种电机及其控制38admsin2 sin2sin222mmmaawFFFIWK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。特种电机及其控制39无刷直流电机的磁场、电势、电流波形特种电机及其控制40 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
11、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；(5)三相绕组完全对称。特种电机及其控制41定子相绕组电压定子相绕组电流定子相绕组自感、互感定子相绕组电动势微分算子cbacbacbacbaeeeiiidtdLMMMLMMMLiiirrruuu000000特种电机及其控制42：ia+ib+ic=0Mia+Mib=-MicMib+Mic=-MiaMia+Mic=-MibcbacbacbacbaeeeiiidtdMLMLMLiiirrruuu000000000000特种电机及其控制43 r LM ec US VD1 VD4 VT1 VT4 VD5 VD2 V
12、T3 VT6 VD3 VD6 VT5 VT2 r LM ea+-+-+-ia ib ic r LM eb A B C 特种电机及其控制44 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45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(V)vLBea60260npnDv(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 nCnpWeWEeim152aiLB特种电机及其控制46 依据基尔霍夫定律，可得换相过程中的电路方程为()0()0acMaaMccbcMbbMccSabcdidiLrieLriedtdtdidiLrie
13、LrieUdtdtiii续流结束后，换相完成，电路方程变为：0)(cbScccMbbbMiiUeridtdiLeridtdiL特种电机及其控制47 为了简化分析，假设不考虑开关器件动作的过渡过程，并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：22STaUUErI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48对于无刷直流电动机，任一时刻都有两相绕组导通，故电机的反电动势为 2215meipWEEnCn式中Ce 电机的电动势常数，iepWC152 rEUUITSa22在任一时刻，电机的电磁转矩由两相绕组的合成磁场和转子磁场相互作用产
14、生，则 42m aaeaTaipWE IEITICI特种电机及其控制49eaTSCrIUUn22pWUUpWUUCUUnTSiiTSeTS25.7152220ieepWCnEK152aiTaeTIpWCITK4特种电机及其控制5022222STaSTeeeeTUUrIUUrnTCCCC机械特性曲线 为 rUUCICTTTstTst22特种电机及其控制51调节特性 调节特性的始动电压和斜率分别为TTeUCrTU220eCK1特种电机及其控制52工作特性 :实验值 ：设计值 120W样机效率特性 特种电机及其控制53转矩脉动定义为 maxmin100%rNTTTT(1)(1)电磁因素引起的转矩脉动
15、电磁因素引起的转矩脉动(2)(2)换相引起的转矩脉动换相引起的转矩脉动 ；(3)(3)定子齿槽引起的转矩脉动；定子齿槽引起的转矩脉动；(4)(4)电枢反应的影响电枢反应的影响 ；(5)(5)机械工艺引起的转矩脉动机械工艺引起的转矩脉动 特种电机及其控制541.换相过程中的相电流和转矩 0)(0)(cbaSccMbbMccMaaMiiiUedtdiLedtdiLedtdiLedtdiLmcbaEeeedtdidtdidtdibac0cbaiii由于又得特种电机及其控制55SmMaMmMaMUEdtdiLdtdiLEdtdiLdtdiL22022bb整理，得bc232()343aSmMSmMSmM
16、d iUEd tLd iUEd tLd iUEd tL 特种电机及其控制56解上述微分方程组，并考虑各相电流的初值和终值为换相前后各相电流的稳态值，得c232343SmaMSmbMSmMUEiItL(UE)itLUEiIL 特种电机及其控制5732MfSmLItUE32()MfSmL ItUE特种电机及其控制58特种电机及其控制59此时令ia(tf)0，得ia降为零的时间tf32MfSmL ItUE 特种电机及其控制60特种电机及其控制612mecETi 24()3mSmeMEUETItL1()em am bm cTE iE iE i特种电机及其控制62在非换相时，即每个导通状态内，电机的电磁
17、转矩为特种电机及其控制63特种电机及其控制64 磁敏式位置传感器磁敏式位置传感器 霍尔元件霍尔元件 电磁式位置信感器电磁式位置信感器 高频线圈高频线圈 光电式位置信感器光电式位置信感器 光耦合器件光耦合器件特种电机及其控制65置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场垂直，则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场，这个现象是霍普金斯大学研究生霍尔于1879年发现的，后被称为。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础，是一种磁传感器。可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔传感器主要有两大类，一类为，一类为线性霍尔器件。特种电机及其控制66Hall IC霍尔元件磁电转换Hall IC
18、霍尔元件功能方框图特种电机及其控制67第一种方式：将霍尔元件粘贴于电机端盖内表面，靠近霍尔元件并与之有一小间隙处，安装着与电机轴同轴的永磁体。第二种方式：直接将霍尔元件敷贴在定子电枢铁心气隙表面或绕组端部紧靠铁心处，利用电机转子上的稀土磁体主极作为传感器的水滋体，根据霍尔元件的输出信号即可判断转子磁极的位置，将信号放大处理后便可驱动逆变器工作。特种电机及其控制681、三个霍尔元件在空间依次相差120o电角度2、传感器磁极与转子磁极同轴旋转、极数相等、极性相对应特种电机及其控制69的定子由磁芯、高频激磁绕组和输出绕组组成，转子由扇形磁芯和非导磁衬套组成定、转子磁芯均由高频导磁材料(如软磁铁氧体)
19、制成。电机运行时，输入绕组中通以高频激磁电流，当转子扇形磁芯处在输出绕组下面时，输入和输出绕组通过定、转子磁芯耦台，输出绕组中则感应出高频信号，经滤波整形和逻辑处理后，即可控制逆变器开关管。特种电机及其控制70电磁式传感器具有较高的强度，可经受较大的振动冲击，故多用于航空航天领域。电磁式位置传感器输出信号较大，一般不需要经过放大便可直接驱动开关管，但因输出电压是交流，必须先整流。传感器过于笨重复杂，因而大大限制了其在普通条件下的应用。特种电机及其控制71(a)光电传感器电路原理图 (b)4极电机所用的遮光盘 对于无刷直流电动机，三个光电开关在空间依次相差120电角度，光电开关与电枢绕组的相对位
20、置以及遮光盘与转子磁极的相对位置类似于霍尔位置传感器。是由装在电机转子上的遮光盘和固定不动的光电开关组成的，其原理如图(a)所示。遮光盘上开有180电角度的扇形开口，扇形开口的数目等于无刷直流电动机转子磁极的极对数，4极电机所用遮光盘如图(b)所示；光电开关通常采用将发光二极管和光敏三极管封装在一起的光断续器。特种电机及其控制72反电动势检测法续流二极管工作状态检测法定子三次谐波检测法瞬时电压方程法特种电机及其控制731.用端电压法检测反电动势过零点 ib r LM ec US VD1 VD4 VT1 VT4 VD5 VD2 VT3 VT6 VD3 VD6 VT5 VT2 r LM ea+-+
21、-+-ia N r LM eb A B C A、B相导通时的电流回路图 特种电机及其控制74000aaaMaNbbbMbNcccMcNdiui rLeudtdiui rLeudtdiui rLeudt)(31)(31)(3100000000bb0000cbacccbacbaaauuuueuuuueuuuue特种电机及其控制75)(21)(21)(21000000000bacccabbcbaauuueuuueuuueSccSbbSaaUueUueUue212121000特种电机及其控制76 特种电机及其控制772.用相电压法检测反电动势过零点 反电动势的检测方程组为 bbccaaeueueu特种
22、电机及其控制78特种电机及其控制79 逆逆变变器器-US +位位置置检检测测器器 转转速速计计算算 逻逻辑辑控控制制 ASR 正正反反转转控控制制 ACR PWM 逻逻辑辑“与与”放放大大 驱驱动动 n*n -+i*-i BLDCM 特种电机及其控制80PID(比例、积分、微分)控制算法常用于需要对变化的条件进行校正的闭环控制系统。001()tPDIdeuK eedt TuTdt22DkPkkkIPkIkDkTTuKeeeTTKeK eKe特种电机及其控制81(1)on_pwm型 -60 0 60 120 180 240 300 360 VT1 VT4 VT3 VT6 VT5 VT2 t t
23、t t t t 特种电机及其控制82-60 0 60 120 180 240 300 360 VT1 VT4 VT3 VT6 VT5 VT2 t t t t t t 特种电机及其控制83在各自的120导通区间内，上桥臂功率开关通过PWM调制、下桥臂开关管恒通。-60 0 60 120 180 240 300 360 VT1 VT4 VT3 VT6 VT5 VT2 t t t t t t 特种电机及其控制84-60 0 60 120 180 240 300 360 VT1 VT4 VT3 VT6 VT5 VT2 t t t t t t 特种电机及其控制85由于功率开关管只能单向导通，所以BLDC
24、M反转不能靠通以反向电压实现。只有靠控制绕组的导通顺序来实现。Hall ICPMPM特种电机及其控制86正转时相互位置关系uha=uhb=1uhc=0AB导通uha=uhc=0uhb=1AC导通特种电机及其控制87特种电机及其控制88反转时相互位置关系uhb=uhc=1uha=0BC导通uha=uhc=0uhb=1AC导通特种电机及其控制89特种电机及其控制90特种电机及其控制91特种电机及其控制921 1、开关主电路开关主电路特种电机及其控制93滤波电路实现直流电源的低通滤波，形成低内阻硬持性直流电压源，同时与绕组感性负载交换无功功率，其功能由大电容C2实现缓冲电路是为减少开关管承受的尖峰电
25、压。由R3、C3、D7组成RDC缓冲电路。缓冲电容C3应选用高频特性好的无感电容，D7应选择过渡正向电压低、反向恢复时间短的快速恢复二极管。逆变电路：功率开关管T1T6、续流二极管D1D6功率开关管TlT6通常为GTR、功率MOSFET、IGBT、GTO以及MCT等功率电子器件，也可以为功率集成电路PIC或智能功率模块IPM特种电机及其控制94 驱动电路将控制电路的输出信号进行功率放大，并向各开关管送去能使其饱和导通和可靠关断的驱动信号。驱动电路的工作方式直接影响着开关管的一些参数和特性，从而影响着整个电机控制系统的正常工作。开关管的种类不同，对驱动信号的要求也不同，因而对应的驱动电路也不同。
26、特种电机及其控制95常见集成驱动电路常见集成驱动电路特种电机及其控制96控制电路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，它主要完成以下功能：1)对转子位置传感器输出的信号、PWM调制信号、正反转和停车信号进行逻辑综合,给驱动电路提供各开关管的斩波和选通信号,实现电机的正反转及停车控制。2)产生PWM调制信号，使电机的电压随给定速度信号而自动变化，实现电机开环调速。3)对电动机进行速度闭环调节和电流闭环调节，使系统具有较好的动态和静态性能。4)实现短路、过流和欠压等故障保护功能等。特种电机及其控制97控制电路的形式:1、分立元件全模拟电路经济型2、专用集成控制电路 规模化、专用
27、3、数模混合控制电路 半数字化(PID)4、全数字控制电路 高性能(MCU DSP)特种电机及其控制98 特种电机及其控制99 特种电机及其控制100 特种电机及其控制101具有PWM 开环速度控制、使能控制(起动或停止)、正反转控制和能耗制动控制等功能 在外围加少许元件，便可以实现软起动，调试及检测非常方便 内部有锯齿波振荡器，频率可以根据需要进行设定 具有过流保护、欠压保护、过热保护功能 20脚塑封封装，内部带有温度补偿基准电源和转子位置传感器译码电路 特种电机及其控制102 特种电机及其控制103 特种电机及其控制104 特种电机及其控制105片内含有PWM转速控制电路，根据参考值进行变
28、速控制。速度环由片内放大器控制，速度信号的检测通过监测VCO(压控振荡器)的输出来完成 采用专门的起动技术，起动顺序为：检测位置、驱动、加速、设定速度；起动速度快，起动时无反转 只用一个外部电阻就可调节和设定所有临界电流 可直接驱动12V电机的场效应管；也可用高端(对应逆变器的上桥臂)栅极驱动器驱动高压电机；可直接驱动外部场效应管的栅极且确保其不被击穿 由压控振荡器(VCO)、反电动势取样误差放大器和顺序器构成锁相环，利用锁相技术实现三相无刷直流电动机的闭环换相 特种电机及其控制106 特种电机及其控制107特种电机及其控制108 特种电机及其控制109可以实现较复杂的控制 提高了控制的灵活性
29、和适应性 无零点漂移，控制精度高 可提供人机界面，多机联网工作 使电路更简单 特种电机及其控制110 特种电机及其控制111特种电机及其控制112特种电机及其控制113 速速度度给给定定 转转向向设设定定 ACH0 WG1 WG1 WG2 WG2 WG3 WG3 栅栅极极 驱驱动动 电电路路 IR2130 IGBT 位位置置传传感感器器 P0.1 逆逆 变变 器器 BLDCM EPA P0.2 P0.3 P0.4 80C196MC 过过电电压压、过过电电流流保保护护电电路路 中中断断 特种电机及其控制114特种电机及其控制115 特种电机及其控制116 特种电机及其控制117 特种电机及其控制
30、118特种电机及其控制119 WG_COUNT WG_COUNT=WG_COMP WG_COMP WG中中断断 1 P6.0/WG1 P6.1/WG1 特种电机及其控制120特种电机及其控制121 速速度度给给定定 键键 盘盘 ADCINx PWM1|PWM6 栅栅极极 驱驱动动 电电路路 IR2130 IGBT I/O 逆逆 变变 器器 BLDCM ADCINx 或或 CAPx DSP TMS320LF2407 保保护护电电路路 PDPINT 位位置置检检测测 电电流流检检测测 ADCINx 特种电机及其控制122比较单元与CMP/PWM脉冲输出 捕获单元 正交编码脉冲(QEP)单元鉴相倍频
31、 通用定时器 特种电机及其控制123 特种电机及其控制124 特种电机及其控制125 SA SB SC 导导 通通 顺顺 序序 C+A+B+C+A+B+A B C A B C A 特种电机及其控制126 _ *IGBT逆逆变变器器 ADC 位位置置控控制制信信号号 d dt BLDCM 速速度度 调调节节器器 PWM 控控制制 电电流流 调调节节器器 TMS320LF2407 i*_ US +捕捕获获单单元元CAP13 特种电机及其控制127 特种电机及其控制128 IGBT逆逆变变器器 位位置置控控制制信信号号 d dt BLDCM 速速度度 调调节节器器 PWM 控控制制 电电流流 调调节
32、节器器 TMS320LF2407 *i*_ _ US +ADC 模模块块 特种电机及其控制129 特种电机及其控制130特种电机及其控制131 R DSP ADCIN00 隔隔离离放放大大 IR2130 ITRIP I 特种电机及其控制132 VT1 VT4 VT3 VT5 VT6 VT2 VD1 VD3 VD5 VD4 VD2 VD6+US _ R A B C 特种电机及其控制133 VT3+US _ VT1 VT4 VT5 VT6 VT2 VD1 VD3 VD5 VD4 VD2 VD6 R A B C 特种电机及其控制134 LED显显示示 各各种种故故障障信信号号 TMS320LF240
33、7 PDPINTA+I/O I/O 控控制制继继电电器器 特种电机及其控制135 初初始始化化 _DSP内内核核及及事事件件管管理理器器初初始始化化 _软软件件变变量量初初始始化化 开开 始始 转转子子预预定定位位并并延延时时 无无传传感感器器运运行行模模式式 _投投入入反反电电动动势势检检测测及及移移相相控控制制 _无无传传感感器器闭闭环环控控制制 结结 束束 特种电机及其控制136 新型无位置传感器检测方法与控制新型无位置传感器检测方法与控制 全数字、高性能控制系统全数字、高性能控制系统 特殊结构电机及其准确分析特殊结构电机及其准确分析 应用研究应用研究(电动车、智能家电电动车、智能家电)
34、特种电机及其控制2.1 SRM 传动系统传动系统2.2 SRM 基本方程与性能分析基本方程与性能分析2.3 SRD的的 控制原理控制原理2.4 SRD 的功率变换器的功率变换器2.5 SRD 传动系统的反馈信号检测传动系统的反馈信号检测2.6 SRD 控制系统原理及其实现控制系统原理及其实现2.7 基于单片机的基于单片机的SRD控制系统控制系统2.8 基于基于DSP的的SRD控制系统控制系统2.9 开关磁阻发电机开关磁阻发电机特种电机及其控制 位位置置检检测测 功功率率变变换换器器 SR电电动动机机 电电流流检检测测 控控制制信信号号 控控制制器器 电电 源源 负负 载载 特种电机及其控制特种
35、电机及其控制1、双凸极结构2、定子集中绕阻、绕组为单方向通电 3、转子无绕阻特种电机及其控制电机原理演示电机原理演示电机原理演示磁通总要沿着磁阻最小路径闭合，一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必定使自己的轴线与主磁场的轴线重合A-A 通电 1-1 与A-A重合B-B 通电 2-2 与B-B重合C-C 通电 3-3 与C-C重合D-D 通电 1-1 与D-D重合特种电机及其控制12/8 极三相开关磁阻电动机特种电机及其控制 以不同的颜色表示磁场强弱，蓝色磁场最弱，绿色强 当某一相通电时，磁极极尖处磁场强特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及
36、其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制)22kNNkmNsrs1、为了避免单边磁拉力，径向必须对称，所以双凸极的定子和转子齿槽数应为偶数。2、定子和转子齿槽数不相等，但应尽量接近。因为当定子和转子齿槽数相近时，就可能加大定子相绕组电感随转角的平均变化率，这是提高电机出力的重要因素。特种电机及其控制特种电机及其控制 相数 3 4 5 6 7 8 9定子极数 6 8 10 12 14 16 1
37、8转子极数 4 6 8 10 12 14 16步进角(度)30 15 9 6 4.28 3.21 2.5 SR电机常用方案相数越大，转矩脉动越小，但成本越高，故常用三相、四相，还有人在研究两相、单相SRM低于三相的SRM 没有自起动能力特种电机及其控制特种电机及其控制 PM PM 特种电机及其控制（1）2-phase 4 stator pole/2 rotor pole（2）4-phase 8 stator pole/6 rotor pole（3）3-phase 6 stator pole/4 rotor pole（4）5-phase 10 stator pole/8 rotor pole特种
38、电机及其控制1)1)电动机结构简单、成本低、适用于高速电动机结构简单、成本低、适用于高速,开关磁阻电动机的结构比通常认为最简开关磁阻电动机的结构比通常认为最简单的鼠笼式感应电动机还要简单。单的鼠笼式感应电动机还要简单。2)2)功率电路简单可靠功率电路简单可靠 因为电动机转矩方因为电动机转矩方向与绕组电流方向无关，即只需单方向向与绕组电流方向无关，即只需单方向绕组电流，故功率电路可以做到每相一绕组电流，故功率电路可以做到每相一个功率开关。个功率开关。特种电机及其控制3)3)各相独立工作，可构成极高可靠性系统各相独立工作，可构成极高可靠性系统 从从电动机的电磁结构上看，各相绕组和磁路相电动机的电磁
39、结构上看，各相绕组和磁路相互独立，各自在一定轴角范围内产生电磁转互独立，各自在一定轴角范围内产生电磁转矩。而不像在一般电动机中必须在各相绕组矩。而不像在一般电动机中必须在各相绕组和磁路共同作用下产生一个圆形旋转磁场，和磁路共同作用下产生一个圆形旋转磁场，电动机才能正常运转。电动机才能正常运转。4)4)高起动转矩，低起动电流高起动转矩，低起动电流 控制器从电源侧控制器从电源侧吸收较少的电流，在电机侧得到较大的起动吸收较少的电流，在电机侧得到较大的起动转矩是本系统的一大特点。转矩是本系统的一大特点。（SR:0.4IN,1.4TN IM:6-7IN,2-3TN）特种电机及其控制5)5)适用于频繁起停
40、及正反向转运行适用于频繁起停及正反向转运行 SRDSRD系统具有的高起动转矩，低起动电流系统具有的高起动转矩，低起动电流的特点，使之在起动过程中电流冲击的特点，使之在起动过程中电流冲击小，电动机和控制器发热较连续额定小，电动机和控制器发热较连续额定运行时还小。运行时还小。6)6)可控参数多，调速性能好可控参数多，调速性能好 控制开关控制开关磁阻电动机的主要运行参数和常用方磁阻电动机的主要运行参数和常用方法至少有四种法至少有四种:相开通角相开通角,相关断角相关断角,相电流幅值相电流幅值,相绕组电压。相绕组电压。特种电机及其控制7)7)效率高，损耗小效率高，损耗小 SRDSRD系统是一种系统是一种
41、非常高效的调速系统。非常高效的调速系统。8)8)可通过机和电的统一协调设计满可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求足各种特殊使用要求 。9)9)缺点：转矩脉动、振动、噪声缺点：转矩脉动、振动、噪声 但但可通过特殊设计克服可通过特殊设计克服特种电机及其控制特种电机及其控制航空工业 家用电器 机械传动 精密伺服系统 电动车 特种电机及其控制 SR电机设计研究：电机设计研究：铁心损耗计算、转矩脉动、噪声、优化设计等理论铁心损耗计算、转矩脉动、噪声、优化设计等理论 SR电机的控制策略研究：电机的控制策略研究：最优控制，减小转矩脉动、降低噪声最优控制，减小转矩脉动、降低噪声 具有较高动态性能、算
42、法简单、可抑制参数变化、扰动及具有较高动态性能、算法简单、可抑制参数变化、扰动及各种不确定性干扰的新型控制策略各种不确定性干扰的新型控制策略 智能控制策略智能控制策略 SR电机的无位置传感器控制电机的无位置传感器控制 SR电机的振动、噪声研究电机的振动、噪声研究 无轴承无轴承SR电机研究（磁悬浮）电机研究（磁悬浮）SR电机应用研究：电动车、发电机、一体化电机等电机应用研究：电动车、发电机、一体化电机等特种电机及其控制不计磁滞、涡流及绕组间互感时，m相SR电机系统示意图 J转子与负载的转动惯量 D粘性摩擦系数 TL负载转矩 Te K J TL R1 d 1/dtt1 u1+-.Rm d m/dt
43、 um+-耦合磁场耦合磁场 i1 im 特种电机及其控制第k相绕组的相电压平衡方程:特种电机及其控制所以：电阻压降dtdLidtdiiLiLiRdtddtdiiiRUkkkkkkkkkkkkkkkk特种电机及其控制LeTdtdDdtdJT22特种电机及其控制diiWci0),(i),(iWTcediTmNTrNerav/20),(2特种电机及其控制 不计磁路饱和，假定绕组电感与电流无关，此时电感只与转子位置有关1 0 2 3 0 4 5 SR电机相电感随转子位置变化特种电机及其控制stator=1位置rotor转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置1特种电机及其控制stator=0o位置rotor
44、定子磁极轴线与转子凹槽中心重合=0o特种电机及其控制stator=2位置rotor转子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置2特种电机及其控制stator=3位置转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置rotor3特种电机及其控制stator=4位置rotor转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置4特种电机及其控制stator=5位置rotor转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置5特种电机及其控制1 0 2 3 0 4 5 =0 定子磁极轴线与转子凹槽中心重合1(5)转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置2 转子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置3 转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置4 转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置
45、特种电机及其控制SR电机绕组电感的分段线性解析式：544max43max32min221min)()()(KLLLKLLK=(Lmax-Lmin)/(3-2)=(Lmax-Lmin)/sLmin为定子磁极轴线对转子凹槽中心时的电感,Lmax定子磁极轴线对转子磁极轴线的电感。特种电机及其控制相电流解析分析相电流解析分析zonzoffsoffonsUU,0uk特种电机及其控制忽略电阻，相绕组电压方程：而：=L idtdUSdidLdidLUsLiLidtdtdtd相电流解析分析同时可以导出：54243322200000iKiKTTTKT为常数特种电机及其控制sdidLULidtdsUdidLLid
46、dminsUdiLdmin()sonUiL 特种电机及其控制min2()sUCLKimin2min2min2()()()()sUdidLdiLiLKiKddddidiLKKiKdddid K iLKdd特种电机及其控制min2()()()sonUiLK特种电机及其控制min2(2)()()soffonUiLKmax(2)()soffonUiLmax4(2)()()soffonUiLK特种电机及其控制12min2min23min234max45max4()()(2)()()(2)(2)()sonsonoffsoffonoffsoffonsoffonULULKUiLKULULK开通角关断角特种电机
47、及其控制on2:电感上升，使绕组电流下降off3:在电感达最大之前，绕组关断，绕组续流。3z0切向力负转矩e=/2 Te=maxe=两齿之间切向力抵Te=0e 位于下个定子齿附近，产生正转矩特种电机及其控制314三相电机两相通电的矩角特性2、多相通电对于三相步进电动机来说，两相通电时的最大转矩与单相通电时的最大转矩相同，也就是说，三相步进电动机不能靠增加通电相数来提高最大转矩。多相通电时的矩角特性可近似地由每相单独通电时的矩角特性叠加求出特种电机及其控制3153单步运行与最大负载能力1）负载TLTL 转子加速向新平衡点a运动。特种电机及其控制316 步进运行所能提供的连续的最大驱动转矩为A、B
48、两条曲线的交点纵坐标Tq。只有当负载转短TLTq时，步进电动机才能带动负载作步进运动。因此，Tq 称为最大负载转矩或启动转矩。2）负载TLTq-A相通电稳定平衡位置为d点A相B相:转子位置来不及变化（惯性），矩角特性变为曲线B,TdTL 转子不能向新平衡点e运动。特种电机及其控制317三相电机两相通电的矩角特性三相步进电机六拍通电方式下，Tq升高，有助于电机的稳定运行。特种电机及其控制3183.2.3 步进电机的矩频特性步进电动机的输出转矩与控制脉冲频率之间的关系称为矩频特性步进电动机矩频特性下降曲线。以最大负载转矩（启动转矩）Tq为起点，随着控制脉冲频率增加，步进电动机的转速逐步升高、而带负
49、载能力却下降共振区特种电机及其控制319矩频特性下降的原因：步进电动机的驱动电路1）、绕组电感影响：2）铁耗：随着频率上升，转子转速升高，在定子绕组中产生的附加旋转电势使电动机受到更大的阻尼转矩，铁芯的涡损也增加。特种电机及其控制3201)减小时间常数可增大电阻。为了保证通电回路中的电流不变，在增加电阻的同时，还要提高电源电压。2)改进工作方式采用多相励磁的工作方式，例如，三相步进电动机的双三拍、六拍方式。多相励磁工作方式使每一相通电的时间延长，电动机就能获得较多的能量，使高额时输出的转矩增加。特种电机及其控制3211、对驱动电源的基本要求1）驱动电源的相数、通电方式和电压、电流都 满足步进电
50、动机的需要；2）要满足步进电动机的起动频率和运行频率的要求；3）能最大限度地抑制步进电动机的振荡；4）工作可靠，抗干扰能力强；5）成本低、效率高、安装和维护方便。特种电机及其控制3222、驱动控制器的组成步进电动机的驱动电源主要由脉冲发生器、脉冲分配器和脉冲放大器（也称功率放大器）三部分组成。脉冲分配器脉冲分配器 脉冲发生器脉冲发生器 功率放大器功率放大器 步进步进 电动机电动机 指令指令 电源电源 特种电机及其控制323脉冲分配器根据指令把脉冲按一定的逻辑关系加到各相绕组的功率放大器上，使电机按一定方式运行，实现正、反转和定位。传统电路：门电路+触发器组成集成电路：如CH205(CMOS)三
