【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 主電路有橋式(圖 22a)和非橋式(圖 22b)兩種。電樞繞組與逆變器聯(lián)接形式多種多樣，但應(yīng)用最廣泛的是三相星形六狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)電路將控制電路的輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大，并向各開(kāi)關(guān)管送去能使其飽和導(dǎo)通和可靠關(guān)斷的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。轉(zhuǎn)子位置傳感器 PS 是檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極相對(duì)于電樞繞組軸線的位置，向控制器提供位置信號(hào)的一種裝置。它由定、轉(zhuǎn)子組成，其轉(zhuǎn)子與電動(dòng)機(jī)同軸，以跟蹤電機(jī)本體轉(zhuǎn)子位置；其定子固定于電機(jī)本體定子或端蓋，以感應(yīng)和輸出轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。ABCB ’C ’A ’n+NS電子開(kāi)關(guān)電路 電動(dòng)機(jī)Q 1 Q 5Q 3Q 2Q 6Q 4圖 22a 橋式逆變器主電路長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 +ABC圖 22b 非橋式逆變器主電路以下就兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)為例來(lái)說(shuō)明其工作原理。三個(gè)霍爾元件沿圓周均勻分別粘貼于電機(jī)端蓋上，彼此相差 120176。電角度，并分別與定子三相繞組首端所在槽中心線對(duì)齊，霍爾傳感器轉(zhuǎn)子永磁體為 180176。電角度的薄片，與轉(zhuǎn)子同軸安裝，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)的端面與霍爾元件的氣隙為 1㎜左右，傳感器永磁體軸線與轉(zhuǎn)子主磁極軸線垂直。設(shè)電機(jī)處于 A、B 相繞組導(dǎo)通的磁狀態(tài)初始位置，如圖 23(a)所示。ACYZXBNSFaFf長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 圖 23(a) 正轉(zhuǎn)時(shí)位置關(guān)系此時(shí)霍爾元件 A、B 在傳感器磁場(chǎng)作用下，有高電平輸出 ，霍爾1?kBAu元件 C 不受磁場(chǎng)作用， 。此時(shí)位置信號(hào)經(jīng)過(guò)控制電路邏輯變換后驅(qū)動(dòng)逆變0?Cu器，使功率開(kāi)關(guān)管 、 導(dǎo)通，繞組 A、B 通電， A 進(jìn) B 出，電樞繞組在空間的合1V6成磁勢(shì) 如圖 23(a)所示，電機(jī)在定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用下順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。電流流通aF路徑為：電源正極→ 管→A 相繞組→B 相繞組→ 管→電源負(fù)極。故 A、B 相繞1 6V組導(dǎo)通的磁狀態(tài)對(duì)應(yīng)的霍爾元件信號(hào)邏輯為 、 、 。當(dāng)轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò) 60176。電kAuBkC角度，達(dá)到如圖 b 所示的位置時(shí)，位置傳感器輸出檢測(cè)信號(hào)，經(jīng)過(guò)控制電路邏輯變換后，使繞組 A、C 相通電，即使開(kāi)關(guān)管 截止， 導(dǎo)通，而 仍導(dǎo)通。電樞621繞組在空間的合成磁勢(shì)方向如圖 23(b)所示。ACYZXBNSF aF f圖 23(b) 電樞繞組在空間的合成磁勢(shì)方向在定轉(zhuǎn)子磁勢(shì)的相互作用下使轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。電流流通路徑為：電源正極→ 管→A 相繞組→C 相繞組→ 管→電源負(fù)極。此時(shí)霍爾元件 B 處于1V2V長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 傳感器永磁體下，有高電平輸出 =l，霍爾元件 A、C 不受磁場(chǎng)作用，kBu= =0。故 A、C 相繞組導(dǎo)通的狀態(tài)對(duì)應(yīng)的霍爾信號(hào)邏輯為 、 、 。以kAuC kAuBkC此類推下去，可得電機(jī)轉(zhuǎn)一周時(shí)對(duì)應(yīng)的各相繞組導(dǎo)通順序和功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通邏輯以及三個(gè)霍爾元件輸出信號(hào)的邏輯關(guān)系，如表 21 所示。表 21 正轉(zhuǎn)時(shí)相互位置關(guān)系當(dāng)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò) 60176。電角度時(shí)，逆變器各開(kāi)關(guān)管之間就進(jìn)行一次換流，定子磁狀態(tài)就改變一次。可見(jiàn)電機(jī)有六個(gè)磁狀態(tài)，每一狀態(tài)都是兩相導(dǎo)通，每相繞組中流過(guò)電流的時(shí)間相當(dāng)于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò) 120176。電角度。每個(gè)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通角為 120176。，故該逆變器為 120176。導(dǎo)通型。為便于直觀，將電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的三相繞組與各開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通順序的關(guān)系見(jiàn)圖 24?；魻栐盘?hào) 導(dǎo)通繞組 導(dǎo)通管子 uhABhC BAV V16 CV V 2 hABhC V V3 ABV V 4 uhABhCCV V5 V V 6長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 t?tA B C?6012?80?403?60?42022?40?36V 1V 3V 5V 4V 4V 6V 2tt?t?圖 24 三相繞組與各開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通順序關(guān)系 電機(jī)的運(yùn)行特性分析電動(dòng)機(jī)是一種輸入電功率、輸出機(jī)械功率的原動(dòng)機(jī)械。因此我們最關(guān)心的是它的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，以及轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速隨電壓、負(fù)載變化而變化的規(guī)律。據(jù)此，電動(dòng)長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 機(jī)的運(yùn)行特性可分為：起動(dòng)特性、電動(dòng)運(yùn)行特性、制動(dòng)特性、機(jī)械特性及調(diào)速特性。對(duì)于無(wú)刷直流電機(jī)，其電勢(shì)平衡方程式用式 21 表示 （式 2UIE???1）式中：—電源電壓( )；UV—電樞繞組反電勢(shì) ( )；E—平均電樞電流( )；acpIA—電樞繞組的平均電阻(Ω)；r—功率器件的飽和管壓降( )。U?V對(duì)于不同的電樞繞組形式和換向線路形式，電樞反電勢(shì)均用式 22 表示。 （式 2nKEe?2）式中：—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)；n—反電勢(shì)系數(shù)(V/r/min)。eK由方程式 222 可得式 23= = （式 2neKEeaxpcrIU??3）在轉(zhuǎn)速不變時(shí)，轉(zhuǎn)矩平衡方程式用式 24 表示。 （式 20TL??4） 式中：—電磁轉(zhuǎn)矩(Nm)T長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 —輸出轉(zhuǎn)矩(Nm)LT—摩擦轉(zhuǎn)矩(Nm)0還可以用式 25 表示 （式 2acpTIK?5）—轉(zhuǎn)矩系數(shù)（Nm/A） 。TK在轉(zhuǎn)速變動(dòng)情況下得出式 26 （式 2dtJTL???06）式中：—轉(zhuǎn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Nms ） ；j 2—轉(zhuǎn)子的機(jī)械角加速度(rad/s )。dt?下面從這些基本公式出發(fā)，來(lái)討論無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的各種運(yùn)行特性。 起動(dòng)特性由方程式 225 、26 可知，電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)，由于反電勢(shì)為零，因此電樞電流( 即起動(dòng)電流) 用公式 27 表示。 （式 2acpnrUI???7）其值可為正常工作電樞電流的幾倍到十幾倍。所以起動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩很大，電動(dòng)機(jī)可以很快起動(dòng)，并能帶負(fù)載直接起動(dòng)。隨著轉(zhuǎn)子的加速，反電勢(shì) E 增加，電磁轉(zhuǎn)矩降低，加速力矩也減小，最后進(jìn)入正常工作狀態(tài)。 電動(dòng)運(yùn)行特性 在電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，6 只開(kāi)關(guān)管任意時(shí)刻只有 2 只開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，分別屬于上長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 橋臂和下橋臂,用圖 25 表示。MB AMA BLBLARARBeAeBUdiAiBi=圖 25 電動(dòng)運(yùn)行等效電路圖由圖 25 的運(yùn)行等效電路圖可得，在電動(dòng)運(yùn)行時(shí) V 管和 V 管導(dǎo)通時(shí)通電回路16的回路電壓方程用式 28 表示。 （式 2BABABBAAAd edtiLtidtiMRidttiLRieU ??????8）式中：、 —A、B 相電勢(shì)，電動(dòng)運(yùn)行時(shí)最大幅值 ，e 2dUE?、 —相電阻， = = ；BRARB、 —相電感， = = ；ALL、 —兩相互感， = = ；MAMBA—蓄電池電壓；dU、 —相電流；AiB設(shè) ，上式可改寫為式 ??+ = （式 2dtiL)(R)]([21BAdeU?9） 在電動(dòng)運(yùn)行時(shí)，換相前電路電流為零，換相后 0。由于 很)]([21BAde?R小可以忽略，故在電路接通后過(guò)渡過(guò)程結(jié)束前， 正向增加，電路工作在吸收電功i長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 率狀態(tài)，吸收的電功率 用式 210 表示。1P （式 2iUd?10） 電機(jī)的電磁功率 及電磁轉(zhuǎn)矩 的大小可以用式 211 和式 212 兩式計(jì)算：emPemT （式 2iBAe)(??11） （式 2?emPT12）式中：Ω—轉(zhuǎn)子角速度。這時(shí)，電磁功率及電磁轉(zhuǎn)矩是正的， 為電動(dòng)性質(zhì)，即與 Ω 同向。對(duì) 管emT1V和 管進(jìn)行脈寬調(diào)制，改變占空比，就可控制電流 的平均值，從而控制平均轉(zhuǎn)6V i矩。 制動(dòng)特性制動(dòng)運(yùn)行方式可以有反接制動(dòng)和回饋制動(dòng)兩種：該方法是使電動(dòng)機(jī)工作在反接制動(dòng)狀態(tài)下，蓄電池化學(xué)儲(chǔ)能向電能轉(zhuǎn)換，與車體動(dòng)能一起通過(guò)電動(dòng)機(jī)最終被轉(zhuǎn)換為熱能。蓄電池的能量輸出與制動(dòng)過(guò)程有關(guān)。可見(jiàn)電動(dòng)自行車的動(dòng)能通過(guò)運(yùn)動(dòng)阻力和電機(jī)做功，被完全轉(zhuǎn)換成熱能，而熱能通常難以被系統(tǒng)回收利用，所以該制動(dòng)過(guò)程是一個(gè)單方向的能量消耗過(guò)程。本法不需要改接電源極性，且在電機(jī)轉(zhuǎn)速低于額定空載轉(zhuǎn)速時(shí)可實(shí)現(xiàn)電磁制動(dòng)，同時(shí)向電源(蓄電池)回饋能量，從而可被系統(tǒng)再次利用。這一方案無(wú)疑提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率，可以延長(zhǎng)車輛的續(xù)行里程，該方案明顯優(yōu)于反接制動(dòng)的方案。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 根據(jù)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理，當(dāng)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速驅(qū)動(dòng)時(shí)，施加在電機(jī)繞組上的是與繞組感生電動(dòng)勢(shì)反向的 PWM 斬波直流電壓。當(dāng)外加電壓大于反電動(dòng)勢(shì)時(shí)，電流流入繞組，電源將功率輸入電機(jī)。當(dāng)在繞組上施加相反方向的 PWM 電壓時(shí)，將使得流過(guò)電動(dòng)機(jī)繞組的電流與驅(qū)動(dòng)時(shí)的電流方向相反。這樣電動(dòng)機(jī)將產(chǎn)生與驅(qū)動(dòng)時(shí)相反方向的轉(zhuǎn)矩，也就是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。制動(dòng)電流值在理論上可以很大，其主要受控制器功率器件的電流限制。在制動(dòng)過(guò)程中，為使電流連續(xù)，施加在繞組電感上的電壓平均值該大于零，即式 213. （式 20)12()1(2()( ??????? UEUEUav ??13） 式中：—PWM 驅(qū)動(dòng)的占空比此時(shí)平均電流為： （式 2aavRUEI2)1(????14）電源輸入到電動(dòng)機(jī)的功率為：（式 222)1()1()12()1( ??????? ??? aaavavav RUEIPUIP15）由此可見(jiàn)，當(dāng) 時(shí)，電源可以從電動(dòng)機(jī)側(cè)吸收制動(dòng)能量。2由 可得042????aavREd?UE21??又由 = 0，可得，在 時(shí)電源側(cè)獲得最大功率的能0??PavaU2量回饋，另一方面，由平均電流方程式可知，α 值越大，則電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)電流即制動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 機(jī)械特性和調(diào)速特性分析機(jī)械特性是指外加電源電壓恒定時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。由方程式(21)(22)(23)可知式 216 和式 217。= － （2acpIcrU??acpenK16） = ﹣ （2acptIKT?acpTracpfer17）式 217 等號(hào)右邊的第一項(xiàng)是常數(shù)(當(dāng)不計(jì)△U 的變化和電樞反應(yīng)的影響時(shí))。所以電磁轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的減小而線性增加。當(dāng)速度為零時(shí)，即為起動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)方程式 217 右邊兩項(xiàng)相等時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為零，此時(shí)的轉(zhuǎn)速即為理想空載轉(zhuǎn)速。實(shí)際上，由于電動(dòng)機(jī)損耗中可變部分及電樞反應(yīng)的影響，輸出轉(zhuǎn)矩稍稍偏離直線變化。又因?yàn)楣β示w管的飽和管壓降隨著集電極電流的變化而變化，在基極電流不變時(shí)。功率晶體管的飽和壓降和集電極電流之間成正比的關(guān)系。所以，隨著轉(zhuǎn)速的減小，電動(dòng)機(jī)的反電勢(shì)也減小，電樞電流增加，△U 增大，到一定值以后，增加較快。所以其機(jī)械特性是在接近堵轉(zhuǎn)(即轉(zhuǎn)速很低)時(shí)，加快下跌。如假定外加直流電壓一定，減小電機(jī)負(fù)載，轉(zhuǎn)速升高，逆變器的觸發(fā)頻率也會(huì)提高，同時(shí)反電勢(shì)增加，電流減小，電磁轉(zhuǎn)矩也減小。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡時(shí)，電機(jī)就維持在一個(gè)較高的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。如果負(fù)載不變，提高外加直流電壓，則轉(zhuǎn)速升高，逆變器的頻率提高，反電勢(shì)增大，使電流減小，電磁轉(zhuǎn)矩又呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，這樣就使電機(jī)維持在一個(gè)較高的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。由此可見(jiàn)，由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的自同步性，其調(diào)速方法與有刷直流電動(dòng)機(jī)非常相似，可通過(guò)調(diào)節(jié)直流電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。又從方程式(217)可見(jiàn)，改變電源電壓，可以很容易地改變輸出轉(zhuǎn)矩(在同一轉(zhuǎn)速下)或(在同一負(fù)載下)。所以在電子換向線路及其它控制線路保持不變的情況下，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能很好，可以利用改變電源電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 平滑的調(diào)速。根據(jù)所需的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)特性，按表 23 可確定電機(jī)應(yīng)該具備的機(jī)械特性，同時(shí)還要求所選擇或設(shè)計(jì)的電機(jī)可以在有限的電源電壓下正常運(yùn)行。表 23 電動(dòng)機(jī)基本工作參數(shù)及特性方程電動(dòng)機(jī)參數(shù) 定義 符號(hào)說(shuō)明輸出功率 mVFP?/*?為機(jī)械傳動(dòng)效率， 為m?F行駛阻力，