《運動控制系統(tǒng)》課件第10章

第10章同步電動機調(diào)速系統(tǒng)

10.1概述10.2同步電動機的工作原理10.3他控變頻同步電動機調(diào)速系統(tǒng)10.4自控變頻同步電動機調(diào)速系統(tǒng)習題與思考題10.1概述如果三相交流電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子電流的頻率f1之間嚴格保持同步關(guān)系，即

則稱這種電機為同步電動機。同步電動機的負載改變時，只要電源頻率不變，其輸出轉(zhuǎn)速也不變。(10-1)隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，一些生產(chǎn)機械要求的功率越來越大，如空氣壓滾機、進風機等，它們的功率可達數(shù)百乃至數(shù)千千瓦，采用同步電動機驅(qū)動更為合適。我國稀土儲量占世界總儲量的絕大部分，隨著稀土永磁材料不斷在同步電動機中的成熟應(yīng)用，目前中小功率稀土永磁同步電動機已得到廣泛的研究和應(yīng)用。同步電動機與同容量的異步電動機相比較有著明顯的優(yōu)點。首先，同步電動機的功率因數(shù)高，工作時，不僅不降低電網(wǎng)的功率因數(shù)，反而還能夠改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，這點是異步電動機無法完成的。其次，對大功率低速電動機，同步電動機的體積比異步電動機的體積要小些。同步電動機的結(jié)構(gòu)主要也是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成的，定、轉(zhuǎn)子之間為空氣氣隙。同步電動機的定子部分與三相異步電動機完全一樣，也是由機座、定子鐵芯和電樞繞組三部分組成的，其中電樞繞組也采用三相對稱交流繞組。同步電動機的轉(zhuǎn)子上裝有磁極，一般做成凸極式的，即有明顯的磁極，磁極用鋼板或鑄鋼鑄成，在磁極上套有線圈，各磁極上的線圈串聯(lián)起來構(gòu)成勵磁繞組，繞組中通過電流，便產(chǎn)生了極性。圖10-1為一對磁極的凸極同步電動機。大容量、高轉(zhuǎn)速的同步電動機的轉(zhuǎn)子也有做成隱極式的，即轉(zhuǎn)子是圓柱體，里面裝有勵磁繞組，如圖10-2所示。隱極式同步電動機的空氣氣隙是均勻的。同步電動機需要直流勵磁電源，即每一臺同步電動機應(yīng)配備一臺勵磁電源，目前常用可控直流電源作為勵磁電源。圖10-1一對磁極的凸極同步電動機圖10-2隱極式同步電動機轉(zhuǎn)子同步電動機與異步電動機相比具有以下特點：（1）異步電動機的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速總是低于同步轉(zhuǎn)速的，二者之差叫做轉(zhuǎn)差；同步電動機轉(zhuǎn)速與電源頻率保持嚴格同步，只要電源頻率保持恒定，同步電動機的轉(zhuǎn)速就不變。（2）異步電動機的磁場僅靠定子供電產(chǎn)生，而同步電動機除定子磁動勢外，在轉(zhuǎn)子側(cè)還有獨立的直流勵磁，或者靠永久磁鋼勵磁。（3）同步電動機和異步電動機的定子都有同樣的交流繞組，一般都是三相的，而轉(zhuǎn)子繞組則不同，同步電動機轉(zhuǎn)子除直流勵磁繞組（或永久磁鐵）外，還可能有自身短路的阻尼繞組。（4）異步電動機的氣隙是均勻的，而同步電動機則有隱極與凸極之分。隱極式電動機氣隙均勻；凸極式則不均勻，磁極直軸的磁阻小，極間的交軸磁阻大，兩軸的電感系數(shù)不等，造成數(shù)學模型上的復(fù)雜性。凸極效應(yīng)能產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，單靠凸極效應(yīng)運行的同步電動機稱為磁阻式同步電動機。（5）異步電動機空載時功率因數(shù)很低，同步電動機則可通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的直流勵磁電流改變輸入功率因數(shù)(可以滯后,也可以超前)。當cosφ=1.0時，電樞銅耗最小。（6）由于同步電動機轉(zhuǎn)子有獨立勵磁，在極低的電源頻率下也能運行，因而，在同樣條件下，同步電動機的調(diào)速范圍比異步電動機更寬。（7）異步電動機要靠加大轉(zhuǎn)差才能提高轉(zhuǎn)矩，而同步電機只須加大功率角就能增大轉(zhuǎn)矩。同步電動機比異步電動機對轉(zhuǎn)矩擾動具有更強的承受能力，動態(tài)響應(yīng)更快。以前，由于同步電動機存在一些不足，如啟動必須由異步電機拖動，重載時有失步危險等，一般工業(yè)部門很少應(yīng)用。自從應(yīng)用電力電子技術(shù)開發(fā)出變頻電源后，同步電動機便和異步電動機一樣成為調(diào)速電機家族的一員，原來由于供電電源頻率固定不變而阻礙同步電動機廣泛應(yīng)用的問題都已迎刃而解。例如啟動問題，由于頻率可以平滑調(diào)節(jié)，當頻率由低調(diào)到高時，轉(zhuǎn)速就隨之逐漸上升，不需要任何其他啟動措施，有些數(shù)千以至數(shù)萬千瓦的大型高速同步電動機，專門配上變壓變頻裝置作為軟啟動設(shè)備。再如振蕩和失步問題，有了頻率閉環(huán)控制，同步轉(zhuǎn)速可以隨著頻率改變，自然就不會產(chǎn)生振蕩和失步了。由于同步電機的固有優(yōu)點，同步電機的變頻調(diào)速成為交流調(diào)速的一個重要發(fā)展方向，主要應(yīng)用有兩個方面：其一是數(shù)兆瓦的大功率低速直接拖動系統(tǒng)，其二是數(shù)百千瓦以下的永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)。從電動機的輸入頻率看，同步電動機有兩種調(diào)速方式：一種為頻率他控式；另一種為頻率自控式。所謂頻率他控式，是指給同步電動機供電的變頻器的輸入頻率是由轉(zhuǎn)速給定信號決定的，這種調(diào)速系統(tǒng)一般多采用開環(huán)控制，因此像接在工頻電網(wǎng)上運行的同步電動機一樣，存在著轉(zhuǎn)子振蕩和失步等問題。頻率自控式則不然，變頻器的輸入頻率不是隨意由外部給定的，而由電動機本身轉(zhuǎn)速來決定，這樣就不存在轉(zhuǎn)子失步問題了，即會永遠同步運行。實際上，只要在電動機轉(zhuǎn)軸上裝上位置檢測器，使其輸出信號與電機電樞繞組的感應(yīng)電勢同步，就可以實現(xiàn)自控。按勵磁方式，同步電動機分為可控勵磁同步電動機和永磁同步電動機兩種。用可調(diào)直流電源勵磁的同步電動機稱為可控勵磁同步電動機，用永磁代替電勵磁的同步電動機稱為永磁同步電動機。永磁同步電動機按氣隙磁場分布可分為兩種：（1）梯形波永磁同步電動機，磁極為永磁材料，輸入為方波電流，氣隙磁場呈梯形波分布，性能接近于直流電動機。用梯形波永磁同步電動機構(gòu)成的自控變頻同步電動機又稱為無刷直流電機（BrushlessDCmotor,BLDM）。（2）正弦波永磁同步電動機，輸入三相正弦波電流，氣隙磁場為正弦分布。磁極采用永磁材料時，氣隙磁場呈正弦波分布，稱為永磁同步電機（PermanentMagnetSynchronousMotor,PMSM）。10.2同步電動機的工作原理當同步電動機的定子三相對稱繞組接到三相對稱電源上時，就會產(chǎn)生三相合成旋轉(zhuǎn)磁場，簡稱電樞磁通勢，用空間向量表示。設(shè)電樞磁通勢的轉(zhuǎn)向為逆時針方向，轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速，先不考慮同步電動機的啟動過程，認為它的轉(zhuǎn)子也是逆時針方向以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的，并在轉(zhuǎn)子上的勵磁繞組里通入直流勵磁電流If。由勵磁電流If產(chǎn)生的磁通勢稱勵磁磁通勢，用表示，它也是一個空間向量。由于勵磁電流If是直流，勵磁磁通勢相對于轉(zhuǎn)子而言是靜止的，但轉(zhuǎn)子本身以同步轉(zhuǎn)速逆時針方向旋轉(zhuǎn)著，所以勵磁磁通勢相對于定子也以同步轉(zhuǎn)速逆時針方向旋轉(zhuǎn)?？梢?，作用在同步電動機的主磁路上一共有兩個磁通勢:一為電樞磁通勢，一為勵磁磁通勢。二者都以同步轉(zhuǎn)速逆時針方向旋轉(zhuǎn)，即所謂同步旋轉(zhuǎn)。但是二者在空間上卻不一定非要位置相同不可，可能是一個在前，一個在后，兩者共同旋轉(zhuǎn)。為了方便描述，把主磁路看做是線性磁路，這就是說，作用在電機主磁路上的各個磁通勢，可以認為它們在主磁路里單獨產(chǎn)生自己的磁通，當這些磁通與定子相繞組交鏈時，單獨產(chǎn)生自己的相電動勢，最后根據(jù)基爾霍夫第二定律一起考慮相繞組里的各電動勢即可。

規(guī)定兩個軸：把轉(zhuǎn)子N極和S極的中心線稱為縱軸，或稱d軸;與縱軸相距90°空間電角度的位置稱為橫軸，或稱q軸。見圖10-3所示。d軸、q軸都隨著轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)。圖10-3

dq軸與電機磁場(a)d軸與q軸;(b)電機磁場首先考慮勵磁磁通勢單獨在電機主磁路里產(chǎn)生磁通時的情況。從圖10-3（a）中看出，勵磁磁通勢作用在縱軸（d軸）方向，產(chǎn)生的磁通如圖10-3所示。我們把由勵磁磁通勢單獨產(chǎn)生的磁通叫做勵磁磁通，用Φ0表示，顯然Φ0經(jīng)過的磁路是依縱軸對稱的磁路，并且Φ0隨著轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)。電樞磁通勢在主磁路里所單獨產(chǎn)生的磁通僅與同步，但不一定位置相同，已經(jīng)知道作用在縱軸方向，只要與不同位置(包括相反方向在內(nèi))，的作用方向就肯定不在縱軸上。在凸極式同步電機中，沿著定子內(nèi)圓的圓周方向氣隙很不均勻，極面下的氣隙小，兩極之間的氣隙較大，如果電樞磁通勢與勵磁磁通勢的相對位置已給定，如圖10-4(a)所示，由于電樞磁通勢與轉(zhuǎn)子之間無相對運動，因而可以把電樞磁通勢分成兩個分量:一個分量為縱軸電樞磁通勢，用表示，作用在縱軸方向；一個分量為橫軸電樞磁通勢，用表示，作用在橫軸方向，即

=

+（10-2）考慮和單獨在電機主磁路里產(chǎn)生磁通的情況，即分別考慮縱軸電樞磁通勢、橫軸電樞磁通勢單獨在主磁路里產(chǎn)生的磁通Φad和Φaq（如圖10-4(b)、（c）所示），其結(jié)果就等于考慮了電樞磁通勢的作用。永遠作用在縱軸方向，永遠作用在橫軸方向，盡管氣隙不均勻，但對縱軸或橫軸來說，都分別為對稱磁路，Φad和Φaq都以同步轉(zhuǎn)速逆時針方向旋轉(zhuǎn)。圖10-4電樞反應(yīng)磁通勢及磁通（a）轉(zhuǎn)子d軸與q軸；（b）d軸磁勢;（c）q軸磁勢一般情況下，當同步電動機容量較大時，可以忽略定子電阻，寫出同步電機一相回路電壓平衡方程

式中:xd稱為縱軸同步電抗；xq稱為橫軸同步電抗;為電動勢。對同一臺電機，xd和xq都是常數(shù)，可以用計算或試驗的方法求得。由式（10-3）可以畫出同步電機φ<90°時的向量圖，如圖10-5所示。（10-3）圖10-5同步電動機向量圖我們知道，同步電機要想作為電動機運行，電源必須向電機的定子繞組傳輸有功功率。忽略定子電阻rs，同步電動機從定子側(cè)輸入的電磁功率為

PM=P1=3UsIscosφ

（10-4）輸入給電機的有功功率P1必須滿足PM=P1=3UsIscosφ>0

這就是說，定子相電流的有功分量Iscosφ應(yīng)與相電壓Us同相位，可見二者之間的功率因數(shù)角必須小于90°才能使電機運行于電動機狀態(tài)。由圖10-5得φ=－θ，于是

(10-5)將代入，得（10-6)式中：Us為定子相電壓有效值；Is為定子相電流有效值；Es為轉(zhuǎn)子磁通勢在定子繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電勢；xd為定子直軸電抗；xq為定子交軸電抗；φ為功率因數(shù)角；為與間的相位角;θ為與間的相位角，在Us

和Es恒定時，同步電動機的電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩由θ確定，故稱為功角或矩角。在式(10-6)兩邊除以機械角速度ωm，得電磁轉(zhuǎn)矩

電磁轉(zhuǎn)矩由兩部分組成，第一部分由轉(zhuǎn)子磁通勢產(chǎn)生，第二部分是由于磁路不對稱產(chǎn)生的。式(10-6)和式(10-7)是凸極同步電動機的功角特性和矩角特性。(10-7)對于隱極同步電動機，xq=xd，故隱極同步電動機電磁功率

電磁轉(zhuǎn)矩

(10-8)(10-9)圖10-6為隱極同步電動機的矩角特性，當時，電磁轉(zhuǎn)矩最大:

以隱極同步電動機為例，分析同步電動機恒壓恒頻時的穩(wěn)定運行問題。(10-10)圖10-6隱極同步電動機的矩角特性（1）在的范圍內(nèi)。同步電動機運行于θ１，，此時電磁轉(zhuǎn)矩Te1和負載轉(zhuǎn)矩TL1相平衡，即。當負載轉(zhuǎn)矩加大為TL2時，轉(zhuǎn)子減速使θ角增加，當，電磁轉(zhuǎn)矩Te2和負載轉(zhuǎn)矩TL2又達到平衡，即，同步電動機仍以同步轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行，參見圖10-7。若負載轉(zhuǎn)矩又恢復(fù)為TL1，則θ角恢復(fù)為θ1，電磁轉(zhuǎn)矩恢復(fù)為Te1。因此，在的范圍內(nèi)，同步電動機能夠穩(wěn)定運行。圖10-7隱極同步電動機的矩角特性（）（2）在的范圍內(nèi)。同步電動機運行于θ3，，假定電磁轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩TL3相平衡。當負載轉(zhuǎn)矩加大為TL4時，轉(zhuǎn)子減速使θ角增加，但隨著θ角增加，電磁轉(zhuǎn)矩Te4反而減小，由于電磁轉(zhuǎn)矩的減小，導(dǎo)致θ角繼續(xù)增加，參見圖10-8。最終，同步電動機轉(zhuǎn)速偏離同步轉(zhuǎn)速，這種現(xiàn)象稱為“失步”。因此，在的范圍內(nèi)，同步電動機不能穩(wěn)定運行，將產(chǎn)生失步現(xiàn)象。圖10-8隱極同步電動機的矩角特征（）從同步電動機工作原理可知，當0<θ<π時，電磁轉(zhuǎn)矩Te>0，使電動機加速，由于機械慣性的作用，電動機轉(zhuǎn)速具有較大的滯后，不能快速跟上同步轉(zhuǎn)速；當π<θ<2π時，電磁轉(zhuǎn)矩Te<0，產(chǎn)生制動作用，故同步電動機不能正常啟動。在工頻電源下啟動時，先用轉(zhuǎn)子中的啟動繞組按異步啟動，接近同步轉(zhuǎn)速時再通入勵磁電流牽入同步。10.3他控變頻同步電動機調(diào)速系統(tǒng)長期以來，同步電動機的失步和啟動問題限制了其應(yīng)用場合和范圍，采用變頻技術(shù)，不僅實現(xiàn)了同步電動機的調(diào)速，也解決了失步和啟動問題。同步電動機的轉(zhuǎn)速n等于同步轉(zhuǎn)速n1，即

（10-11）同步電動機的轉(zhuǎn)子具有固定的極對數(shù)，所以同步電動機的調(diào)速只能是改變電源頻率的變頻調(diào)速。同步電動機的定子結(jié)構(gòu)與異步電動機相同，若忽略定子漏阻抗壓降，則定子電壓

Us≈4.44f1W1Kw1Φm(10-12)因此，同步電動機變頻調(diào)速的電壓頻率特性與異步電動機變頻調(diào)速相同，基頻以下采用帶定子壓降補償?shù)暮銐侯l比控制方式，基頻以上采用電壓恒定的控制方式。轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的同步電動機群調(diào)速系統(tǒng)是一種最簡單的他控變頻調(diào)速系統(tǒng)，如圖10-9所示。這種系統(tǒng)采用多臺永磁或磁阻同步電動機并聯(lián)接在公共的變頻器上，由統(tǒng)一的頻率給定信號同時調(diào)節(jié)各臺電動機的轉(zhuǎn)，各臺電動機轉(zhuǎn)速嚴格相同。在PWM變壓變頻器中，帶定子壓降補償?shù)暮銐侯l比控制保證了同步電動機氣隙磁通恒定，緩慢地調(diào)節(jié)頻率給定f*可以逐漸同時改變各臺電動機的轉(zhuǎn)速。這種開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)存在明顯的缺點，即轉(zhuǎn)子振蕩和失步問題，因此各臺同步電動機的負載不能太大。圖10-9多臺同步電動機的恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)10.4自控變頻同步電動機調(diào)速系統(tǒng)自控變頻同步電動機調(diào)速系統(tǒng)的特點是在電動機軸端裝有一臺轉(zhuǎn)子位置檢測器BQ（見圖10-10），由它發(fā)出的信號控制變壓變頻裝置的逆變器UI，從而改變同步電動機的供電頻率，保證轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與供電頻率同步。調(diào)速時由外部信號或脈寬調(diào)制（PWM）控制UI的輸入直流電壓。圖10-10自控變頻同步電動機調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

UI——逆變器BQ——轉(zhuǎn)子位置檢測器圖10-10中畫出的同步電動機是永磁式的，容量大時也可以用勵磁式的。從電動機本身看，它是一臺同步電動機，但是如果把它和逆變器UI、轉(zhuǎn)子位置檢測器BQ合起來看，它就像是一臺直流電動機。直流電動機電樞里面的電流本來就是交變的，只是經(jīng)過換向器和電刷才在外部電路表現(xiàn)為直流，這時，換向器相當于機械式的逆變器，電刷相當于磁極位置檢測器。與此相應(yīng)，在自控變頻同步電動機系統(tǒng)中采用電力電子逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測器，用靜止的電力電子電路代替了容易產(chǎn)生火花的旋轉(zhuǎn)接觸式換向器，即用電子換向取代機械換向，顯然具有很大的優(yōu)越性。稍有不同的是，直流電動機的磁極在定子上，電樞是旋轉(zhuǎn)的，而同步電動機的磁極一般都在轉(zhuǎn)子上，電樞卻是靜止的，這只是相對運動不同，沒有本質(zhì)上的區(qū)別。自控變頻同步電動機在其開發(fā)與發(fā)展的過程中曾采用多種名稱，有的至今仍被習慣使用著，它們是：

(1)無換向器電動機——由于采用電子換相取代了機械式的換向器，因而得名，多用于帶直流勵磁繞組的同步電動機。

(2)正弦波永磁同步電動機（或直接稱為永磁同步電動機）（PermanentMagnetSynchronousMotor，PMSM）——當輸入三相正弦波電流，氣隙磁場為正弦分布，磁極采用永磁材料時，使用這個名稱，多用于伺服系統(tǒng)和高性能調(diào)速系統(tǒng)。

(3)梯形波永磁同步電動機，即無刷直流電動機（BrushlessDCMotor，BLDM）——磁極仍為永磁材料，但輸入方波電流，氣隙磁場呈梯形波分布，這樣就更接近于直流電動機，但沒有電刷，故稱無刷直流電動機，多用于一般調(diào)速系統(tǒng)。實際上，無刷直流電動機也是永磁式同步電動機，而通稱為PMSM的電機也可等效成無刷直流電動機，其名稱上的區(qū)別只是一種習慣而已。其中，PMSM和BLDM具有下述突出的優(yōu)點，其應(yīng)用日益廣泛：

(1)由于采用了永磁材料磁極，特別是采用了稀土金屬永磁，如釹鐵硼（NdFeB）、釤鈷（SmCo）等，其磁能積高，可得較高的氣隙磁通密度，因此容量相同時電機的體積小，重量輕。

(2)轉(zhuǎn)子沒有銅損和鐵損，又沒有滑環(huán)和電刷的摩擦損耗，運行效率高。

(3)轉(zhuǎn)動慣量小，允許脈沖轉(zhuǎn)矩大，可獲得較高的加速度，動態(tài)性能好。

(4)結(jié)構(gòu)緊湊，運行可靠。10.4.1永磁無刷直流電動機工作原理早期的永磁材料采用天然永磁材料，所產(chǎn)生的磁場較弱，后來被軟磁材料所構(gòu)成的電磁系統(tǒng)所取代。隨著科技的進步，新型永磁材料如稀土永磁材料（釤鈷、釹鐵硼等）能夠產(chǎn)生足夠大的磁場，用永磁材料做主磁極的電動機稱為永磁直流電動機。永磁材料不需要供電，用永磁材料構(gòu)成轉(zhuǎn)子，電樞繞組安裝在定子上，這樣就消除了電刷。用三相對稱交流電可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，三相對稱的方波電源能夠產(chǎn)生躍動的旋轉(zhuǎn)磁場，把三相對稱交流電供電且反電勢也為正弦波的電動機稱為永磁同步電動機，采用三相對稱方波電源供電且反電勢為梯形波的電機稱為永磁無刷直流電動機。三相對稱方波電源由逆變器產(chǎn)生，下面以三相Y連接120°導(dǎo)通方式說明無刷直流電機的運行原理，如圖10-11所示。圖10-11三相全控120°導(dǎo)通電路

120°導(dǎo)通方式是指每一瞬間有兩個功率開關(guān)導(dǎo)通（V1、V3和V5中只有一個導(dǎo)通，V4、V6和V2中也只有一個導(dǎo)通），每隔1/6周期(60°電角度)換相一次，每次換相一個功率管，每一功率管導(dǎo)通120°電角度，各功率管的導(dǎo)通順序是V1V2→V2V3→V3V4→V4V5→V5V6→V6V1→V1V2→…(或逆序工作)。規(guī)定各相電流和磁通勢的參考方向如圖10-12所示。假定電流正方向是從首端流入（用表示），末端流出（用⊙表示）；電流為正值時，實際方向與假定方向相同；電流為負值時，實際方向與假定方向相反。磁通勢的參考方向與產(chǎn)生它的電流方向之間符合右手螺旋定則。設(shè)三相繞組完全一致，且結(jié)構(gòu)完全對稱；三相電樞繞組電阻、電感相同，不隨位置改變，不受電流變化的影響；功率開關(guān)管為理想開關(guān)。設(shè)每相電樞繞組的阻抗為

Z=Ls+r

（10-13）圖10-12各相電流和磁通勢的參考方向式中：L為每相電樞繞組的電感;r為每相電樞繞組的電阻。每相導(dǎo)通期間的電流為

式中:E為線電動勢，在以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，E為一常數(shù)，其穩(wěn)態(tài)值為。設(shè)電流ia產(chǎn)生的磁通勢為，電流ib產(chǎn)生的磁通勢為，電流ic產(chǎn)生的磁通勢為。根據(jù)磁通勢的大小與產(chǎn)生它的電流成正比關(guān)系，畫出三相方波電流所產(chǎn)生的合成磁通勢的大小和方向，如圖10-13所示。（10-14）圖10-13逆變器6個狀態(tài)的合成磁通勢要使永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通逆變器某一狀態(tài)。當轉(zhuǎn)子位置在圖10-14(a)位置時，若它逆時針旋轉(zhuǎn)，則必須通過導(dǎo)通功率管得到一個合成磁通勢，顯然與V1V2導(dǎo)通所產(chǎn)生的合成磁通勢相同，與V1V2導(dǎo)通相對應(yīng)，轉(zhuǎn)子磁場逆時針連續(xù)轉(zhuǎn)動，而電樞合成磁通勢在空間保持不變，只有當轉(zhuǎn)子磁場經(jīng)過60°電角度到達圖10-14（b）中的位置時，功率管V2和V3導(dǎo)通，電樞合成磁通勢才從圖10-14（a）中位置順時針躍變至10-14（b）中的位置。其它工作狀態(tài)與功率管對應(yīng)關(guān)系如圖10-14所示。圖10-14轉(zhuǎn)子位置和導(dǎo)通功率管對應(yīng)關(guān)系三相對稱繞組中任意兩相通以電流后所產(chǎn)生的合成磁通勢的大小是不變的，電樞合成磁通勢在空間不是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的磁場，而是一種跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場，每次跳躍60°。它的作用就好像空間有一對磁極在跳躍旋轉(zhuǎn)。若三相繞組流過電流的相序為A→B→C，則合成磁通勢也沿著A→B→C方向變化，即旋轉(zhuǎn)磁通勢的轉(zhuǎn)向與繞組中流過電流的相序有關(guān)，它總是從電流領(lǐng)先的一相繞組向電流滯后的一相繞組的方向轉(zhuǎn)動。永磁轉(zhuǎn)子在不同位置時需要導(dǎo)通不同的功率管以產(chǎn)生不同的合成磁通勢，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，因此必須知道轉(zhuǎn)子的位置，才能確定導(dǎo)通哪一組功率管。10.4.2永磁無刷直流電動機的組成永磁無刷直流電動機一般由電動機本體、轉(zhuǎn)子位置檢測電路和驅(qū)動電路（包括逆變電路和控制電路）三部分組成，控制器根據(jù)位置檢測電路測得電機轉(zhuǎn)子位置觸發(fā)驅(qū)動電路中的各個開關(guān)管進行換流，以驅(qū)動永磁無刷直流電動機。（1）電動機本體。永磁無刷直流電動機的電動機本體由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。定子繞組一般分為三相且多采用整距集中式繞組，轉(zhuǎn)子則由永磁鋼按一定的極對數(shù)組成，轉(zhuǎn)子磁鋼的形狀呈弧形，磁極下定轉(zhuǎn)子氣隙均勻，氣隙磁通密度呈梯形分布。采用稀土永磁材料做磁鋼具有很高的剩余磁通密度和很大的矯頑力，稀土永磁材料的磁導(dǎo)通率與空氣磁導(dǎo)通率相仿，對徑向結(jié)構(gòu)的電動機交軸和直軸磁路的磁阻均較大，可以最大限度地減小電樞反應(yīng)。通常在額定負載內(nèi)，氣隙磁場密度和電樞電流無關(guān)，轉(zhuǎn)矩和電流呈線性關(guān)系。（2）轉(zhuǎn)子位置檢測電路?？梢酝ㄟ^電式位置傳感器、光學編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、自整角機、旋轉(zhuǎn)電位器等來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子位置的實時檢測，這種方法又稱直接檢測法。它們都可以獲得精確的轉(zhuǎn)子空間位置，從理論上講都可以應(yīng)用，考慮到這些位置傳感器的應(yīng)用條件（如高頻電源、安裝要求、結(jié)構(gòu)要求等），實際上這些傳感器應(yīng)用較少。從上面分析可知，轉(zhuǎn)子在一個電周期內(nèi)是躍動轉(zhuǎn)動的，所停的位置只有6個點，只要知道轉(zhuǎn)子在6個位置中的哪一個就可以了，不需要上述精確的位置測量?；魻栁恢脗鞲衅骼没魻栃?yīng)，當磁性材料的N極到來時，輸出高電平，并保持高電平直到S極到來輸出變?yōu)榈碗娖健Ｓ没魻栁恢脗鞲衅骱陀来糯艠O可以分辨出轉(zhuǎn)動部件在空間的位置。最簡單的方法是在6個位置安裝6個霍爾位置傳感器，當轉(zhuǎn)子N磁極通過傳感器時輸出高電平，S極通過時輸出低電平，6個傳感器輸出信號如圖10-15所示，每個傳感器的高電平指示出轉(zhuǎn)子的位置。如果我們把s2、s4、s6傳感器去掉，只用s1、s3、s5，6個位置信號為101、100、110、010、011、001，也就是說可以用3個傳感器獲得6個位置信號。圖10-15

6個傳感器輸出信號在一對極電機中，電機的機械角度等于電角度，3個霍爾位置傳感器均布在定子圓周上，對應(yīng)于三相繞組，設(shè)3個霍爾位置傳感器分別為s1（與A相繞組對應(yīng)）、s2（與B相繞組對應(yīng)）、s3（與C相繞組對應(yīng)）。當為p對極的電機時，電角度等于極對數(shù)與機械角度的乘積，只要在360/p的機械角范圍內(nèi)等間隔安裝3個位置傳感器，就可以得到每兩個極距6個位置信息，即在一個圓周內(nèi)測到6p個位置信號。電機旋轉(zhuǎn)時，3個霍爾位置傳感器所測信號也用s1、s2和s3表示，（s1，s2，s3）在60°電角度內(nèi)狀態(tài)保持不變，6個狀態(tài)為（0，0，1），（1，0，1），（1，

0，0），（1，1，0），（0，1，0），（0，1，1），每個位置信號表示磁極轉(zhuǎn)動60°。傳感器信號、定子位置和導(dǎo)通功率管關(guān)系如圖10-16所示。圖10-16霍爾位置傳感器信號狀態(tài)與導(dǎo)通功率管對應(yīng)圖順時針旋轉(zhuǎn)、逆時針旋轉(zhuǎn)時，位置傳感器信號狀態(tài)與導(dǎo)通功率管關(guān)系見表10-1。表10-1霍爾位置傳感器信號狀態(tài)與導(dǎo)通功率管關(guān)系（3）驅(qū)動電路。驅(qū)動電路包括控制電路與逆變開關(guān)電路，其主要功能是保證電動機定子繞組準確換相，確保直流無刷電動機在運轉(zhuǎn)過程中定轉(zhuǎn)子兩磁場始終保持基本上垂直，換句話說就是保證定子電流與反電勢的乘積最大，其關(guān)系如圖10-17所示。圖10-17三相反電動勢與相電流波形除此之外，還需控制電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)矩以及保護電機,包括過流、過壓、過熱等保護。目前，控制電路一般有專用集成電路、微處理器和數(shù)字信號處理器等三種組成形式。其中數(shù)字信號處理器是控制電路的發(fā)展方向，也是目前采用最多的一種方式。因為數(shù)字信號處理器運算快，外圍電路少，系統(tǒng)組成簡單、可靠，使得無刷直流電動機的組成大為簡化，性能大大改進，有利于電機的小型化和智能化。10.4.3永磁無刷直流電動機數(shù)學模型為了便于分析，假定：①三相繞組完全對稱，氣隙磁場為方波，定子電流、轉(zhuǎn)子磁場分布皆對稱；②忽略齒槽、換相過程和電樞反應(yīng)等的影響；③電樞繞組在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分布；④磁路不飽和，不計渦流和磁滯損耗。三相繞組的電壓平衡方程可表示為（10-15）式中：ua、ub、uc為定子相繞組電壓(V)；Un為電機中性點對地電壓；Ra、Rb、Rc為電子相繞組電阻（Ω）；ia、

ib、ic為定子相繞組電流(A)；ea、eb、ec為定子相繞組電動勢(V)；La、Lb、Lc為每相繞組的自感(H)；Mab、Mac、…、Mcb為每兩相繞組間的互感(H)；p為微分算子p=d/dt。由假設(shè)可知，Ra=Rb=Rc=R，La=Lb=Lc，Mab=Mac=…=Mcb=M，三相繞組星形連接且無中線，則ia+ib+ic=0，即Mib+Mic=－Mia，由此可將（10-15）式寫成：（10-16）