無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理

無(wú)刷直流電機(jī)原理無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理

普通直流電動(dòng)機(jī)的電樞在轉(zhuǎn)子上，而定子產(chǎn)生固定不動(dòng)的磁場(chǎng)。為了使直流電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，需要通過(guò)換向器和電刷不斷改變電樞繞組中電流的方向，使兩個(gè)磁場(chǎng)的方向始終保持相互垂直，從而產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)不斷旋轉(zhuǎn)。

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)為了去掉電刷，將電樞放到定子上去，而轉(zhuǎn)子制成永磁體，這樣的結(jié)構(gòu)正好和普通直流電動(dòng)機(jī)相反；然而，即使這樣改變還不夠，因?yàn)槎ㄗ由系碾姌型ㄟ^(guò)直流電后，只能產(chǎn)生不變的磁場(chǎng)，電動(dòng)機(jī)依然轉(zhuǎn)不起來(lái)。為了使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)起來(lái)，必須使定子電樞各相繞組不斷地?fù)Q相通電，這樣才能使定子磁場(chǎng)隨著轉(zhuǎn)子的位置在不斷地變化，使定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)始終保持左右的空間角，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。

●電動(dòng)機(jī)的定子繞組多做成三相對(duì)稱星形接法，同三相異步電動(dòng)機(jī)十分相似。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的極性，在電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動(dòng)器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是：接受電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、制動(dòng)信號(hào)，以控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止和制動(dòng)；接受位置傳感器信號(hào)和正反轉(zhuǎn)信號(hào)，用來(lái)控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接受速度指令和速度反饋信號(hào)，用來(lái)控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護(hù)和顯示等等。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的原理簡(jiǎn)圖如圖一所示：

主電路是一個(gè)典型的電壓型交-直-交電路，逆變器提供等幅等頻5-26KHZ調(diào)制波的對(duì)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(jié)合正/反轉(zhuǎn)信號(hào)產(chǎn)生有效的六狀態(tài)編碼信號(hào)：101、100、110、010、011、001，通過(guò)邏輯組建處理產(chǎn)生T1-T4導(dǎo)通、T1-T6導(dǎo)通、T3-T6導(dǎo)通、T3-T2導(dǎo)通、T5-T2導(dǎo)通、T5-T4導(dǎo)通，也就是說(shuō)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(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)一對(duì)N-S極，T1-T6功率管即按固定組合成六種狀態(tài)的依次導(dǎo)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(chǎng)軸線在空間轉(zhuǎn)動(dòng)60°電度角，轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)相當(dāng)于60°電度角空間位置，轉(zhuǎn)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(dǎo)通組合，使定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)軸再前進(jìn)60°電度角，如此循環(huán)，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)將產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，拖動(dòng)負(fù)載作連續(xù)旋轉(zhuǎn)。正因?yàn)闊o(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的換向是自身產(chǎn)生的，而不是由逆變器強(qiáng)制換向的，所以也稱作自控式同步電動(dòng)機(jī)。

●無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的位置傳感器編碼使通電的兩相繞組合成磁場(chǎng)軸線位置超前轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)軸線位置，所以不論轉(zhuǎn)子的起始位置處在何處，電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)瞬間就會(huì)產(chǎn)生足夠大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此轉(zhuǎn)子上不需另設(shè)啟動(dòng)繞組。由于定子磁場(chǎng)軸線可視作同轉(zhuǎn)子軸線垂直，在鐵芯不飽和的情況下，產(chǎn)生的平均電磁轉(zhuǎn)矩與繞組電流成正比，這正是他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電流-轉(zhuǎn)矩特性。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩正比于繞組平均電流；TM=Ktlav(N?M)電動(dòng)機(jī)兩相組反電勢(shì)的差比于電動(dòng)機(jī)的角速度；ELL=Keω(V)所以電動(dòng)機(jī)繞組中的平均電流為：Iav=(Vm-ELL)/2Ra(A)其中，Vm=δ?VDC是加在電動(dòng)機(jī)線間電壓平均值，VDC是直流母線電壓，δ是調(diào)制波的占空比，Ra為每相繞組電阻。由此可以得到直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩：Tm=δ?(VDC?Kt/2Ra)-Kt?(Keω/2Ra)Kt、Ke是電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)，ω為電動(dòng)機(jī)的角速度(rad/s)，所以，在一定的ω時(shí)，改變占空比δ，就可以線性地改變電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，得到與他勵(lì)支流電動(dòng)機(jī)電樞電壓控制相同的控制特性和機(jī)械特性。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定，取決于速度指令Vc的高低，如果速度指令最大值為+5V對(duì)應(yīng)的最高轉(zhuǎn)速：Vc(max)ónmax,那么，+5V以下任何電平即對(duì)應(yīng)相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速n，這就實(shí)現(xiàn)了變速設(shè)定。當(dāng)Vc設(shè)定以后，無(wú)論是負(fù)載變化、電源電壓變化，還是環(huán)境溫度變化，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于指令轉(zhuǎn)速時(shí)，反饋電壓Vfb變小，調(diào)制波的占空比δ就會(huì)變大，電樞電流變大，使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩增大而產(chǎn)生加速度，直到電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相等為止；反之，如果電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速比指令轉(zhuǎn)速高時(shí)，δ減小，Tm減小。發(fā)生減速度，直至實(shí)際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相等為止。可以說(shuō)，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在允許的電網(wǎng)波動(dòng)范圍內(nèi)，在允許的過(guò)載能力以下，其穩(wěn)定轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相差在1%左右，并可以實(shí)現(xiàn)在調(diào)速范圍內(nèi)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁來(lái)源于永磁體，所以不象異步機(jī)那樣需要從電網(wǎng)吸取勵(lì)磁電流；由于轉(zhuǎn)子中無(wú)交變磁通，其轉(zhuǎn)子上既無(wú)銅耗又無(wú)鐵耗，所以效率比同容量異步電動(dòng)機(jī)高10%左右，一般來(lái)說(shuō)，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的能力指針（ηcosθ）比同容量三相異步電動(dòng)機(jī)高12%-20%。

●由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是以自控式運(yùn)行的，所以不會(huì)像變頻調(diào)速下重載啟動(dòng)的同步電動(dòng)機(jī)那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動(dòng)繞組，也不會(huì)在負(fù)載突變時(shí)產(chǎn)生振蕩和失步。中小容量的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)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(wú)刷電動(dòng)機(jī)的體積比同容量三相異步電動(dòng)機(jī)縮小了一個(gè)機(jī)座號(hào)。近三十年針對(duì)異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的研究，歸根到底是在尋找控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的方法，而無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電流或電樞的端電壓，就是直接控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的物理量。過(guò)去，由于稀土永磁體價(jià)格比較高等因素，限制了稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，但是隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新，其價(jià)格已迅速下降，例如，我公司推出推出BS系列無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的售價(jià)已與異步電動(dòng)機(jī)和普通變頻器價(jià)格之和相差無(wú)幾。稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)必將以其寬調(diào)速、小體積、高效率和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速誤差小等特點(diǎn)在調(diào)速領(lǐng)域顯現(xiàn)優(yōu)勢(shì)。(P)影響：

N=120．f/P。在轉(zhuǎn)子極數(shù)固定情況下，改變定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。直流無(wú)刷電機(jī)即是將同步電機(jī)加上電子式控制(驅(qū)動(dòng)器)，控制定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的頻率并將電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速回授至控制中心反復(fù)校正，以期達(dá)到接近直流電機(jī)特性的方式。也就是說(shuō)直流無(wú)刷電機(jī)能夠在額定負(fù)載范圍內(nèi)當(dāng)負(fù)載變化時(shí)仍可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)子維持一定的轉(zhuǎn)速。

直流無(wú)刷驅(qū)動(dòng)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(jī)，控制部則依需求轉(zhuǎn)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/220V)，如果輸入是交流電就得先經(jīng)轉(zhuǎn)換器(converter)轉(zhuǎn)成直流。不論是直流電輸入或交流電輸入要轉(zhuǎn)入電機(jī)線圈前須先將直流電壓由換流器(inverter)轉(zhuǎn)成3相電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。換流器(inverter)一般由6個(gè)功率晶體管(Q1～Q6)分為上臂(Q1、Q3、Q5)/下臂(Q2、Q4、Q6)連接電機(jī)作為控制流經(jīng)電機(jī)線圈的開(kāi)關(guān)?？刂撇縿t提供PWM(脈沖寬度調(diào)制)決定功率晶體管開(kāi)關(guān)頻度及換流器(inverter)換相的時(shí)機(jī)。直流無(wú)刷電機(jī)一般希望使用在當(dāng)負(fù)載變動(dòng)時(shí)速度可以穩(wěn)定于設(shè)定值而不會(huì)變動(dòng)太大的速度控制，所以電機(jī)內(nèi)部裝有能感應(yīng)磁場(chǎng)的霍爾傳感器(hall-sensor)，做為速度之閉回路控制，同時(shí)也做為相序控制的依據(jù)。但這只是用來(lái)做為速度控制并不能拿來(lái)做為定位控制。

（圖一）

直流無(wú)刷電機(jī)的控制原理

要讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，首先控制部就必須根據(jù)hall-sensor感應(yīng)到的電機(jī)轉(zhuǎn)子目前所在位置，然后依照定子繞線決定開(kāi)啟(或關(guān)閉)換流器(inverter)中功率晶體管的順序，如下（圖二）inverter中之AH、BH、CH(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(jī)線圈產(chǎn)生順向(或逆向)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子的磁鐵相互作用，如此就能使電機(jī)順時(shí)/逆時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到hall-sensor感應(yīng)出另一組信號(hào)的位置時(shí)，控制部又再開(kāi)啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)電機(jī)就可以依同一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)直到控制部決定要電機(jī)轉(zhuǎn)子停止則關(guān)閉功率晶體管(或只開(kāi)下臂功率晶體管)；要電機(jī)轉(zhuǎn)子反向則功率晶體管開(kāi)啟順序相反。

基本上功率晶體管的開(kāi)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(kāi)成AH、AL或BH、BL或CH、CL。此外因?yàn)殡娮恿慵傆虚_(kāi)關(guān)的響應(yīng)時(shí)間，所以功率晶體管在關(guān)與開(kāi)的交錯(cuò)時(shí)間要將零件的響應(yīng)時(shí)間考慮進(jìn)去，否則當(dāng)上臂(或下臂)尚未完全關(guān)閉，下臂(或上臂)就已開(kāi)啟，結(jié)果就造成上、下臂短路而使功率晶體管燒毀。

(圖二)

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，控制部會(huì)再根據(jù)驅(qū)動(dòng)器設(shè)定的速度及加/減速率所組成的命令(Command)與hall-sensor信號(hào)變化的速度加以比對(duì)(或由軟件運(yùn)算)再來(lái)決定由下一組(AH、BL或AH、CL或BH、CL或……)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，以及導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)短。速度不夠則開(kāi)長(zhǎng)，速度過(guò)頭則減短，此部份工作就由PWM來(lái)完成。PWM是決定電機(jī)轉(zhuǎn)速快或慢的方式，如何產(chǎn)生這樣的PWM才是要達(dá)到較精準(zhǔn)速度控制的核心。高轉(zhuǎn)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(shí)間，另外對(duì)于hall-sensor信號(hào)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(shí)時(shí)性。至于低轉(zhuǎn)速的速度控制尤其是低速起動(dòng)則因?yàn)榛貍鞯膆all-sensor信號(hào)變化變得更慢，怎樣擷取信號(hào)方式、處理時(shí)機(jī)以及根據(jù)電機(jī)特性適當(dāng)配置控制參數(shù)值就顯得非常重要?；蛘咚俣然貍鞲淖円詄ncoder變化為參考，使信號(hào)分辨率增加以期得到更佳的控制。電機(jī)能夠運(yùn)轉(zhuǎn)順暢而且響應(yīng)良好，P.I.D.控制的恰當(dāng)與否也無(wú)法忽視。之前提到直流無(wú)刷電機(jī)是閉回路控制，因此回授信號(hào)就等于是告訴控制部現(xiàn)在電機(jī)轉(zhuǎn)速距離目標(biāo)速度還差多少，這就是誤差(Error)。知道了誤差自然就要補(bǔ)償，方式有傳統(tǒng)的工程控制如P.I.D.控制。但控制的狀態(tài)及環(huán)境其實(shí)是復(fù)雜多變的，若要控制的堅(jiān)固耐用則要考慮的因素恐怕不是傳統(tǒng)的工程控制能完全掌握，所以模糊控制、專家系統(tǒng)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也將被納入成為智能型P.I.D.控制的重要理論。

P.I.D控制簡(jiǎn)介

一般P.I.D控制如下

(dutycycle)=(dutycycle)p+(dutycycle)i+(dutycycle)d

（圖三）

P.控制(比例控制)：輸出與輸入誤差訊號(hào)成正比關(guān)系，即將誤差固定比例修正，但系統(tǒng)會(huì)有穩(wěn)態(tài)誤差。

I.控制(積分控制)：當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)有穩(wěn)態(tài)誤差時(shí)，將誤差取時(shí)間的積分，即便誤差很小也能隨時(shí)間增加而加大，使穩(wěn)態(tài)誤差減小直到為零。

D.控制(微分控制)：當(dāng)系統(tǒng)在克服誤差時(shí)，其變化總是落后于誤差變化，表示系統(tǒng)存在較大慣性組件或(且)有滯后組件。微分即是預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)以便提前作用避免被控量嚴(yán)重沖過(guò)頭。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的保護(hù)措施

對(duì)于驅(qū)動(dòng)器還要有保護(hù)措施，當(dāng)負(fù)載過(guò)大或不當(dāng)使用時(shí)會(huì)造成大電流而將功率晶體管燒毀。為了保護(hù)因電流超過(guò)規(guī)格而破壞驅(qū)動(dòng)器，一般會(huì)以加大功率晶體管耐電流或加電流sensor做為保護(hù)。其次當(dāng)電機(jī)負(fù)載不小的時(shí)候，在停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)由電機(jī)端回送至驅(qū)動(dòng)器的能量及過(guò)電壓都將危及驅(qū)動(dòng)器，這可配合過(guò)電壓保護(hù)電路加上回生能量消散電路來(lái)防治。其它尚有hall-sensor正常與否判定也會(huì)影響PWM控制