無刷直流電機的工作原理

1、無刷直流電機原理無刷直流電動機的工作原理普通直流電動機的電樞在轉子上， 而定子產(chǎn)生固定不動的磁場。 為了使直流電動機旋轉， 需要通過換向器和電刷不斷改變電樞繞組中電流的方向，使兩個磁場的方向始終保持相互垂直，從而產(chǎn)生恒定的轉矩驅動電動機不斷旋轉。無刷直流電動機為了去掉電刷，將電樞放到定子上 去，而轉子制成永磁體，這樣的結構正好和普通直流電動機相反；然而，即使這樣改變還不夠， 因為定子上的電樞通過直流電后,只能產(chǎn)生不變的磁場，電動機依然轉不起來。為了使電動機轉起來， 必須使定子電樞各相繞組不斷地換相通電，這樣才能使定子磁場隨著轉子的位置在不斷地變化，使定子磁場與轉子永磁磁場始終保持左右的空間角，

2、產(chǎn)生轉矩推動轉子旋轉。無刷直流電動機由電動機主體和驅動器組成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。電動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法， 同三相異步電動機十分相似。電 動機的轉子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機轉子的極性，在電動機內裝 有位置傳感器。驅動器由功率電子器件和集成電路等構成，其功能是：接受電動機的啟動、停止、制動信號，以控制電動機的啟動、停止和制動；接受位置傳感 器信號和正反轉信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷， 產(chǎn)生連續(xù)轉矩；接受速 度指令和速度反饋信號，用來控制和調整轉速；提供保護和顯示等等。無刷直流 電動機的原理簡圖如圖一所示：10J.主電路是一個典型的電壓型交-直-交電路，逆

3、變器提供等幅等頻5-26KHZ調制波的對稱交變矩形波。永磁體N-S交替交換，使位置傳感器產(chǎn)生相位差120。 的U、V、W方波，結合正/反轉信號產(chǎn)生有效的六狀態(tài)編碼信號：101、100、 110、010、011、001，通過邏輯組建處理產(chǎn)生 T1-T4導通、T1-T6導通、T3-T6 導通、T3-T2導通、T5-T2導通、T5-T4導通，也就是說將直流母線電壓依次加 在 A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，這樣轉子每轉過一對 N-S 極, T1-T6功率管即按固定組合成六種狀態(tài)的依次導通。每種狀態(tài)下，僅有兩相繞組通電，依次改變一種狀態(tài)，定子繞組產(chǎn)生的磁場軸線在空間轉動6

4、0電度角，轉子跟隨定子磁場轉動相當于 60電度角空間位置，轉子在新位置上，使位置傳感 器 U、V 、W 按約定產(chǎn)生一組新編碼，新的編碼又改變了功率管的導通組合，使 定子繞組產(chǎn)生的磁場軸再前進 60電度角，如此循環(huán)，無刷直流電動機將產(chǎn)生連 續(xù)轉矩， 拖動負載作連續(xù)旋轉。 正因為無刷直流電動機的換向是自身產(chǎn)生的， 而 不是由逆變器強制換向的，所以也稱作自控式同步電動機。 無刷直流電動機的位置傳感器編碼使通電的兩相繞組合成磁場軸線位置超前 轉子磁場軸線位置， 所以不論轉子的起始位置處在何處， 電動機在啟動瞬間就會 產(chǎn)生足夠大的啟動轉矩， 因此轉子上不需另設啟動繞組。 由于定子磁場軸線可視 作同轉子軸

5、線垂直， 在鐵芯不飽和的情況下， 產(chǎn)生的平均電磁轉矩與繞組電流成 正比，這正是他勵直流電動機的電流 -轉矩特性。電動機的轉矩正比于繞組平均 電流； TM=Ktlav(N?M) 電動機兩相組反 電勢 的差比于電動機的角速 度； ELL=Ke (V)所以電動機繞組中的平均電流為：lav=(Vm-ELL)/2Ra(A)其中，Vm= ?VDC是加在電動機線間電壓平均值，VDC是直流母線電壓，S是調制波 的占空比， Ra 為每相繞組電阻。由此可以得到直流電動機的電磁轉矩：Tm=S ?(VDC?Kt/2Ra) -Kt?(Ke 3 /2Ra)Kt、Ke是電動機的結構常數(shù)， 3為電動機 的角速度(rad/s)

6、，所以，在一定的3時，改變占空比就可以線性地改變電動 機的電磁轉矩，得到與他勵支流電動機電樞電壓控制相同的控制特性和機械特 性。無刷直流電動機的轉速設定，取決于速度指令 Vc 的高低，如果速度指令最 大值為+5V對應的最高轉速：Vc(max) o n max,那么，+5V以下任何電平即對應 相當?shù)霓D速n，這就實現(xiàn)了變速設定。當 Vc設定以后，無論是負載變化、電源 電壓變化，還是環(huán)境溫度變化，當轉速低于指令轉速時，反饋電壓 Vfb 變小，調 制波的占空比S就會變大，電樞電流變大，使電動機產(chǎn)生的電磁轉矩增大而產(chǎn)生 加速度， 直到電動機的實際轉速與指令轉速相等為止； 反之， 如果電動機實際轉 速比指

7、令轉速高時，S減小，Tm減小。發(fā)生減速度，直至實際轉速與指令轉速 相等為止。 可以說， 無刷直流電動機在允許的電網(wǎng)波動范圍內， 在允許的過載能 力以下，其穩(wěn)定轉速與指令轉速相差在 1%左右，并可以實現(xiàn)在調速范圍內恒轉 矩運行。由于無刷直流電動機的勵磁來源于永磁體， 所以不象異步機那樣需要從 電網(wǎng)吸取勵磁電流； 由于轉子中無交變磁通， 其轉子上既無銅耗又無鐵耗， 所以 效率比同容量異步電動機高 10%左右，一般來說，無刷直流電動機的能力指針 (n cos 0比同容量三相異步電動機高 12%-20%。由于無刷直流電動機是以自控式運行的， 所以不會像變頻調速下重載啟動的同 步電動機那樣在轉子上另加啟

8、動繞組， 也不會在負載突變時產(chǎn)生振蕩和失步。 中 小容量的無刷直流電動機的永磁體， 現(xiàn)在多采用高磁能積的稀土釹鐵硼 (Nd-fe-B) 材料。因此，稀土永磁無刷電動機的體積比同容量三相異步電動機縮小了一個機 座號。近三十年針對異步電動機變頻調速的研究， 歸根到底是在尋找控制異步電 動機轉矩的方法， 而無刷直流電動機的電流或電樞的端電壓， 就是直接控制電動 機轉矩的物理量。 過去，由于稀土永磁體價格比較高等因素， 限制了稀土永磁無 刷直流電動機的應用領域， 但是隨著技術的不斷創(chuàng)新， 其價格已迅速下降， 例如， 我公司推出推出 BS 系列無刷直流電動機的售價已與異步電動機和普通變頻器價 格之和相差

9、無幾。 稀土永磁無刷直流電動機必將以其寬調速、 小體積、 高效率和 穩(wěn)態(tài)轉速誤差小等特點在調速領域顯現(xiàn)優(yōu)勢。無刷電機是指無電刷和換向器 （ 或集電環(huán) ）的電機，有稱無換向器電機。早在上世紀誕生電機的時候，產(chǎn)生 的實用性電機就是無刷形式，即交流鼠籠式異步電動機，這種電動機得到了廣泛的應用。但是，異步電動 機有許多無法克服的缺陷，以致電機技術發(fā)展緩慢。本世紀中葉誕生了晶體管，因而采用晶體管換向電路 代替電刷與換向器的直流無刷電機就應運而生了。這種新型無刷電機稱為電子換向式直流電機，它克服了 第一代無刷電機的缺陷。實用性新型無刷電機是與電子技術、微電子技術、數(shù)字技術、自控技術以及材料科學等發(fā)展緊密聯(lián)

10、 系的。它不僅限于交直流領域，還涉及電動、發(fā)電的能量轉換和信號傳感等領域。在電機領域中新型無刷 電機的品種是較多的，但性能優(yōu)良的無刷電機因受到價格的限制，其應用還不十分廣泛。下面分別就主要 的新型無刷電機進行探索與研究。1 直流無刷電動機直流無刷電動機與一般直流電動機具有相同的工作原理和應用特性，而其組成是不一樣的。除了電 機本身外，前者還多一個換向電路，電機本身和換向電路緊密結合在一起。許多小功率電動機的電機本身 是與換向電路合成一體，從外觀上看直流無刷電動機與直流電動機完全一樣。直流無刷電動機的電機本身是機電能量轉換部分，它除了電機電樞、永磁勵磁兩部分外，還帶有傳 感器。電機本身是直流無刷

11、電機的核心，它不僅關系到性能指標、噪聲振動、可靠性和使用壽命等，還涉 及制造費用及產(chǎn)品成本。由于采用永磁磁場，使直流無刷電機擺脫一般直流電機的傳統(tǒng)設計和結構，滿足 各種應用市場的要求，并向著省銅節(jié)材、制造簡便的方向發(fā)展。永磁磁場的發(fā)展與永磁材料的應用密切相 關，第三代永磁材料的應用，促使直流無刷電機向高效率、小型化、節(jié)能方向邁進。為了實現(xiàn)電子換向必須有位置信號來控制電路。早期用機電位置傳感器獲得位置信號，現(xiàn)已逐步用 電子式位置傳感器或其它方法得到位置信號，最簡便的方法是利用電樞繞組的電勢信號作為位置信號。要實現(xiàn)電機轉速的控制必須有速度信號。用獲得位置信號相近方法取得速度信號，最簡單的速度傳 感

12、器是測頻式測速發(fā)電機與電子線路相結合。直流無刷電機的換向電路由驅動及控制兩部分組成，這兩部分是不容易分開的，尤其小功率用電路 往往將兩者集成化成為單一專用集成電路。在功率較大的電機中，驅動電路和控制電路可各自成為一體。驅動電路輸出電功率，驅動電動機的 電樞繞組，并受控于控制電路。目前，驅動電路已從線性放大狀態(tài)轉成脈寬調制的開關狀態(tài)，相應電路組 成也從晶體管分立電路轉成模塊化集成電路。模塊化集成電路有功率雙極晶體管、功率場效應管和隔離柵 場效應雙極晶體管等組成形式。雖然，隔離柵場效應雙極晶體管價格較貴，但從可靠安全和性能角度看， 選用它還是較合適的?？刂齐娐酚米骺刂齐姍C的轉速、轉向、電流 （ 或

13、轉矩 ）以及保護電機的過流、過壓、過熱等。上述參 數(shù)容易轉成模擬信號，用此來控制較簡單，但從發(fā)展來看，電機的參數(shù)應轉換成數(shù)字量，通過數(shù)字式控制 電路來控制電機。當前，控制電路有專用集成電路、微處理器和數(shù)字信號處理器等三種組成方式。在對電 機控制要求不高的場合，專用集成電路組成控制電路是簡單實用的方式。采用數(shù)字信號處理器組成控制電 路是今后發(fā)展方向，有關數(shù)字信號處理器將在下面交流同步伺服電動機中介紹。目前，在微小功率范疇直流無刷電動機是發(fā)展較快的新型電機。由于各個應用領域需要各自獨特的 直流無刷電動機，所以直流無刷電動機的類型較多。大體上有計算機外存儲器以及VCD 、DVD 、 CD 主軸驅動用

14、扁平式無鐵心電機結構，小型通風機用外轉子電機結構，家電用多極磁場結構及內裝式結構，電動 自行車用多極、外轉子結構等等。上述直流無刷電動機的電機本身和電路均成一體，使用十分方便，它的 產(chǎn)量也非常大。為了滿足大批量、低成本的市場需要，直流無刷電動機的生產(chǎn)必須要形成規(guī)模經(jīng)濟。因此， 直流無刷電動機是一種高投入、高產(chǎn)出的行業(yè)。同時，我們應該考慮到市場也在不斷地發(fā)展，如家用空調用電機正由3A轉向3D,需要大量的中小功率的直流無刷直流電動機，研究和開發(fā)中小功率的直流無刷電 動機也成當務之急。無刷直流電機( BLDCM )是在有刷直流電動機的基礎上發(fā)展來的，但它的驅動電流是不折不扣的交流；無刷直流電機又可以

15、分為無刷速率電機和無刷力矩電機。一般地，無刷電機的驅動電流有兩種，一種是梯形波(一般是 “方波 ”)，另一種是正弦波。有時候把前一種叫直流無刷電機，后一種叫交流伺服電機，確切 地講是交流伺服電動機的一種。無刷直流電機為了減少轉動慣量，通常采用 “細長 ”的結構。無刷直流電機在重量和體積上要比有刷直流電機小的多，相應的轉動慣量可以減少40%50%左右。由于永磁材料的加工問題，致使無刷直流電機一般的容量都在 100kW 以下。這種電動機的機械特性和調節(jié)特性的線性度好，調速范圍廣，壽命長，維護方便噪聲小，不存在因電刷 而引起的一系列問題，所以這種電動機在控制系統(tǒng)中有很大的應用潛力。直流無刷電機的優(yōu)越

16、性直流電機具有響應快速、較大的起動轉矩、從零轉速至額定轉速具備可提供額定轉矩的性能，但直流 電機的優(yōu)點也正是它的缺點，因為直流電機要產(chǎn)生額定負載下恒定轉矩的性能，則電樞磁場與轉子磁場須 恒維持 90，這就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在電機轉動時會產(chǎn)生火花、碳粉因此除了會造成組 件損壞之外，使用場合也受到限制。交流電機沒有碳刷及整流子，免維護、堅固、應用廣，但特性上若要 達到相當于直流電機的性能須用復雜控制技術才能達到。 現(xiàn)今半導體發(fā)展迅速功率組件切換頻率加快許多， 提升驅動電機的性能。微處理機速度亦越來越快，可實現(xiàn)將交流電機控制置于一旋轉的兩軸直交坐標系統(tǒng) 中，適當控制交流電機在兩軸電流分

17、量，達到類似直流電機控制并有與直流電機相當?shù)男阅?。此外已有很多微處理機將控制電機必需的功能做在芯片中，而且體積越來越小；像模擬/數(shù)字轉換器(Analog-to-digital converter , ADC)脈沖寬度調制(pulse wide modulator , PWM)等。直流無刷電機 即是以電子方式控制交流電機換相，得到類似直流電機特性又沒有直流電機機構上缺失的一種應用。直流無刷電機的控制結構(P)直流無刷電機是同步電機的一種, 也就是說電機轉子的轉速受電機定子旋轉磁場的速度及轉子極數(shù)影響：N=120 f / P 。在轉子極數(shù)固定情況下，改變定子旋轉磁場的頻率就可以改變轉子的轉速。直流

18、無刷 電機即是將同步電機加上電子式控制 (驅動器 ) ，控制定子旋轉磁場的頻率并將電機轉子的轉速回授至控制 中心反復校正，以期達到接近直流電機特性的方式。也就是說直流無刷電機能夠在額定負載范圍內當負載 變化時仍可以控制電機轉子維持一定的轉速。直流無刷驅動器包括電源部及控制部如圖 (1) ：電源部提供三相電源給電機， 控制部則依需求轉換輸 入電源頻率。電源部可以直接以直流電輸入(一般為24V)或以交流電輸入(110V/220 V)，如果輸入是交流電就得先經(jīng)轉換器 (converter) 轉成直流。不論是直流電輸入或交流電輸入要轉入電機線圈前須先將直流電壓由換流 器(inverter)轉成3相電壓

19、來驅動電機。換流器 (inverter) 一般由6個功率晶體管(Q1Q6)分為上臂(Q1、Q3 Q5)/下臂(Q2、Q4 Q6)連接電機作為控制流經(jīng)電機線圈的開關?？刂撇縿t提供PWM脈沖寬度調制)決定功率晶體管開關頻度及換流器 (inverter) 換相的時機。直流無刷電機一般希望使用在當負載變動時速度 可以穩(wěn)定于設定值而不會變動太大的速度控制，所以電機內部裝有能感應磁場的霍爾傳感器(hall-sensor) ，做為速度之閉回路控制， 同時也做為相序控制的依據(jù)。 但這只是用來做為速度控制并不能 拿來做為定位控制。(inverter)（圖一）直流無刷電機的控制原理要讓電機轉動起來，首先控制部就必

20、須根據(jù)hall-sensor 感應到的電機轉子目前所在位置，然后依照定子繞線決定開啟（或關閉）換流器（inverter）中功率晶體管的順序，如 下（圖二）inverter 中之AH BHCH（這些稱為上臂功率晶體管）及AL、BL、CL（這些稱為下臂功率晶體管），使電流依序流經(jīng)電機線圈產(chǎn)生順 向（或逆向）旋轉磁場，并與轉子的磁鐵相互作用，如此就能使電機順時/逆時轉動。當電機轉子轉動到hall-sensor 感應出另一組信號的位置時，控制部又再開啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)電機就可以依同 一方向繼續(xù)轉動直到控制部決定要電機轉子停止則關閉功率晶體管（或只開下臂功率晶體管）；要電機轉子反向則功率晶體管

21、開啟順序相反。基本上功率晶體管的開法可舉例如下：AH、BL 一組AH CL 一組BH CL一組BH AL 一組CH AL 一組CH BL 一組，但絕不能開成AH AL或BH BL或CH CL。此外因為電子零件總有開關的響應時間，所以功率晶體管在關與開的交錯時間要將零件的響應時間考慮進去，否則當上臂（或下臂）尚未完全關閉，下臂（或上臂）就已開啟，結果就造成上、下臂短路而使功率晶體管燒毀。Jn verier（圖二）當電機轉動起來，控制部會再根據(jù)驅動器設定的速度及加/減速率所組成的命令（Command與hall-sensor 信號變化的速度加以比對（或由軟件運算）再來決定由下一組（AH、BL或AHC

22、L或BHCL或） 開關導通，以及導通時間長短。速度不夠則開長，速度過頭則減短，此部份工作就由PWM來完成。PWM是決定電機轉速快或慢的方式，如何產(chǎn)生這樣的PWM才是要達到較精準速度控制的核心。高轉速的速度控制必須考慮到系統(tǒng)的CLOCK分辨率是否足以掌握處理軟件指令的時間，另外對于hall-sensor 信號變化的資料存取方式也影響到處理器效能與判定正確性、實時性。至于低轉速的速度控制尤其是低速起動則因為回 傳的hall-sensor 信號變化變得更慢，怎樣擷取信號方式、處理時機以及根據(jù)電機特性適當配置控制參數(shù) 值就顯得非常重要。或者速度回傳改變以encoder變化為參考，使信號分辨率增加以期得到更佳的控制。電機能夠運轉順暢而且響應良好，P丄D.控制的恰當與否也無法忽視。之前提到直流無刷電機是閉回路控制，因此回授信號就等于是告訴控制部現(xiàn)在電機轉速距離目標速度還差多少，這就是誤差（Error）。知道了誤差自然就要補償，方式有傳統(tǒng)的工程控制如P丄D.控制。但控制的狀態(tài)及環(huán)境其實是復雜多變的，若要控制的堅固耐用則要考慮的因素恐怕不