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來源：深圳市鑫海文科技有限公司|發(fā)布時間：2019-06-01 00:38
無刷直流電機由電動機主體和驅(qū)動器組成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。 無刷電機是指無電刷和換向器(或集電環(huán))的電機，又稱無換向器電機。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(yīng)用。但是，異步電動機有許多無法克服的缺陷，以致電機技術(shù)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(yīng)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。
無刷直流電機意義
實用性新型無刷電機是與電子技術(shù)、微電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、自控技術(shù)以及材料科學(xué)等發(fā)展緊密聯(lián)系的。它不僅限于交直流領(lǐng)域，還涉及電動、發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換和信號傳感等領(lǐng)域。在電機領(lǐng)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(yīng)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。
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(yīng)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(jié)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(zhuǎn)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電機的核心，它不僅關(guān)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(shè)計和結(jié)構(gòu)，滿足各種應(yīng)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(yīng)用密切相關(guān)，第三代永磁材料的應(yīng)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(zhuǎn)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，最簡單的速度傳感器是測頻式測速發(fā)電機與電子線路相結(jié)合。
直流無刷電機的換向電路由驅(qū)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(qū)動電路和控制電路可各自成為一體。驅(qū)動電路輸出電功率，驅(qū)動電動機的電樞繞組，并受控于控制電路。目前，驅(qū)動電路已從線性放大狀態(tài)轉(zhuǎn)成脈寬調(diào)制的開關(guān)狀態(tài)，相應(yīng)電路組成也從晶體管分立電路轉(zhuǎn)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(yīng)管和隔離柵場效應(yīng)雙極晶體管等組成形式。雖然，隔離柵場效應(yīng)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。
控制電路用作控制電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、電流(或轉(zhuǎn)矩)以及保護電機的過流、過壓、過熱等。上述參數(shù)容易轉(zhuǎn)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(yīng)轉(zhuǎn)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(guān)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(yīng)用領(lǐng)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(qū)動用扁平式無鐵心電機結(jié)構(gòu)，小型通風(fēng)機用外轉(zhuǎn)子電機結(jié)構(gòu)，家電用多極磁場結(jié)構(gòu)及內(nèi)裝式結(jié)構(gòu)，電動自行車用多極、外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)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(yīng)該考慮到市場也在不斷地發(fā)展，如家用空調(diào)用電機正由3A轉(zhuǎn)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(wù)之急。
無刷直流電機（BLDCM）是在有刷直流電動機的基礎(chǔ)上發(fā)展來的，但它的驅(qū)動電流是不折不扣的交流；無刷直流電機又可以分為無刷速率電機和無刷力矩電機。一般地，無刷電機的驅(qū)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(zhuǎn)動慣量，通常采用“細長”的結(jié)構(gòu)。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(yīng)的轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)特性的線性度好，調(diào)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(yīng)用潛力。
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(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機轉(zhuǎn)子的極性，在電動機內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動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(zhuǎn)信號，用來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，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護和顯示等等。
由于無刷直流電動機是以自控式運行的，所以不會象變頻調(diào)速下重載啟動的同步電機那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動繞組，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。
近三十年來針對異步電動機變頻調(diào)速的研究，歸根到底是在尋找控制異步電動機轉(zhuǎn)矩的方法，稀土永磁無刷直流電動機必將以其寬調(diào)速、小體積、高效率和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速誤差小等特點在調(diào)速領(lǐng)域顯現(xiàn)優(yōu)勢。
無刷直流電機因為具有直流有刷電機的特性,同時也是頻率變化的裝置,所以又名直流變頻,國際通用名詞為BLDC.無刷直流電機的運轉(zhuǎn)效率,低速轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)速精度等都比任何控制技術(shù)的變頻器還要好,所以值得業(yè)界關(guān)注.本產(chǎn)品已經(jīng)生產(chǎn)超過55kW,可設(shè)計到400kW,可以解決產(chǎn)業(yè)界節(jié)電與高性能驅(qū)動的需求。
無刷電機有什么特點？
優(yōu)點：
a) 電子換向來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械換向，性能可靠、永無磨損、故障率低，壽命比有刷電機提高了約6倍，代表了電動車的發(fā)展方向；
b) 屬靜態(tài)電機，空載電流小；
c) 效率高；
d) 體積小。
缺點：
a) 低速起動時有輕微振動，如速度加大換相頻率增大，就感覺不到振動現(xiàn)象了；
b) 價格高，控制器要求高；
c) 易形成共振，因為任何一件東西都有一個固有振動頻率，如果無刷電機的振動頻率與車架或塑料件的振動頻率相同或接近時就容易形成共振現(xiàn)象，但可以通過調(diào)整將共振現(xiàn)象減小到最小程度。所以采用無刷電機驅(qū)動的電動車有時會發(fā)出一種嗡嗡的聲音是一種正常的現(xiàn)象。
d) 腳踏騎行時較費力，最好是電力驅(qū)動與腳踏助力相結(jié)合。
有刷電機有什么優(yōu)缺點？
優(yōu)點：
a) 變速平穩(wěn)，幾乎感覺不到振動；
b) 溫升低，可靠性好；
c) 價格低，所以被較多廠家選用。
缺點：
a) 碳刷易磨損，更換較為麻煩，壽命短；
b) 運行電流大，電機磁鋼易退磁，降低了電機與電池的作用壽命。
直流無刷電機的優(yōu)越性
直流電機具有響應(yīng)快速、較大的起動轉(zhuǎn)矩、從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩的性能，則電樞磁場與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)用廣，但特性上若要達到相當于直流電機的性能須用復(fù)雜控制技術(shù)才能達到。現(xiàn)今半導(dǎo)體發(fā)展迅速功率組件切換頻率加快許多，提升驅(qū)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(zhuǎn)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量，達到類似直流電機控制并有與直流電機相當?shù)男阅堋?nbsp;
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(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter，adc)、脈沖寬度調(diào)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(gòu)上缺失的一種應(yīng)用。
直流無刷電機的控制結(jié)構(gòu)
直流無刷電機是同步電機的一種，也就是說電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受電機定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度及轉(zhuǎn)子極數(shù)(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)磁場的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。直流無刷電機即是將同步電機加上電子式控制(驅(qū)動器)，控制定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率并將電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速回授至控制中心反復(fù)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(nèi)當負載變化時仍可以控制電機轉(zhuǎn)子維持一定的轉(zhuǎn)速。
直流無刷驅(qū)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(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/220 v)，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)入電機線圈前須先將直流電壓由換流器(inverter)轉(zhuǎn)成3相電壓來驅(qū)動電機。換流器(inverter)一般由6個功率晶體管(q1～q6)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(guān)。控制部則提供pwm(脈沖寬度調(diào)制)決定功率晶體管開關(guān)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(shè)定值而不會變動太大的速度控制，所以電機內(nèi)部裝有能感應(yīng)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。
直流無刷電機的控制原理
要讓電機轉(zhuǎn)動起來，首先控制部就必須根據(jù)hall-sensor感應(yīng)到的電機轉(zhuǎn)子目前所在位置，然后依照定子繞線決定開啟(或關(guān)閉)換流器(inverter)中功率晶體管的順序，如 下（圖二） inverter中之a(chǎn)h、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)電機線圈產(chǎn)生順向(或逆向)旋轉(zhuǎn)磁場，并與轉(zhuǎn)子的磁鐵相互作用，如此就能使電機順時/逆時轉(zhuǎn)動。當電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到hall-sensor感應(yīng)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(zhuǎn)動直到控制部決定要電機轉(zhuǎn)子停止則關(guān)閉功率晶體管(或只開下臂功率晶體管)；要電機轉(zhuǎn)子反向則功率晶體管開啟順序相反。
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(guān)的響應(yīng)時間，所以功率晶體管在關(guān)與開的交錯時間要將零件的響應(yīng)時間考慮進去，否則當上臂(或下臂)尚未完全關(guān)閉，下臂(或上臂)就已開啟，結(jié)果就造成上、下臂短路而使功率晶體管燒毀。
當電機轉(zhuǎn)動起來，控制部會再根據(jù)驅(qū)動器設(shè)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ah、cl或bh、cl或……)開關(guān)導(dǎo)通，以及導(dǎo)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(zhuǎn)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(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(zhuǎn)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(zhuǎn)順暢而且響應(yīng)良好，p.i.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(zhuǎn)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.i.d.控制。但控制的狀態(tài)及環(huán)境其實是復(fù)雜多變的，若要控制的堅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。
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