直流无刷电机( 二 ) _生活百科

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图1基本的无刷直流电动机驱动图2是无刷直流电动机一经典的位置和转速控制方案的方框图。如果仅仅期望转速控制，可以将位置控制器和位置反馈电路去掉。通常在高性能的位置控制器中位置和转速感测器都是需要的。如果仅有位置感测器而没有转速感测器，那就要求检测位置信号的差异，在模拟系统中就要导致噪声的放大；而在数字系统中这不是问题。对于位置和转速控制的无刷直流电动机，位置感测器或者是其他获取转子位置信息的元件是一定要的。

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图2经典转速和位置控制无刷直流电动机系统方框图许多高性能的套用场合为了转矩控制还需要电流反馈。至少，需要汇线电流反馈来防止电机和驱动系统过流。当添加一内电流闭环控制就能实现非常快的电流源逆变器那样的性能，而不需要直流耦合电抗器，它被称为电流调节电压源逆变器。驱动中的直流电压调节也可由作用类似直流电源的可控整流器来实现，或者既可通过在变换器中将PWM信号同时加在上下开关，也可通过仅仅加在上开关或下开关来实现。电机分类直流电动机一般直流电动机具有相同的工作原理和套用特性，而其组成是不一样的。除了电机本身外，前者还多一个换向电路，电机本身和换向电路紧密结合在一起。许多小功率电动机的电机本身是与换向电路合成一体，从外观上看直流无刷电动机与直流电动机完全一样。直流无刷电动机的电机本身是机电能量转换部分，它除了电机电枢、永磁励磁两部分外，还带有感测器。电机本身是直流无刷电机的核心，它不仅关係到性能指标、噪声振动、可靠性和使用寿命等，还涉及製造费用及产品成本。由于採用永磁磁场，使直流无刷电机摆脱一般直流电机的传统设计和结构，满足各种套用市场的要求，并向着省铜节材、製造简便的方向发展。永磁磁场的发展与永磁材料的套用密切相关，第三代永磁材料的套用，促使直流无刷电机向高效率、小型化、节能方向迈进。为了实现电子换向必须有位置信号来控制电路。早期用机电位置感测器获得位置信号，现已逐步用电子式位置感测器或其它方法得到位置信号，最简便的方法是利用电枢绕组的电势信号作为位置信号。要实现电机转速的控制必须有速度信号。用获得位置信号相近方法取得速度信号，最简单的速度感测器是测频式测速发电机与电子线路相结合。直流无刷电机的换向电路由驱动及控制两部分组成，这两部分是不容易分开的，尤其小功率用电路往往将两者集成化成为单一专用积体电路。在功率较大的电机中，驱动电路和控制电路可各自成为一体。驱动电路输出电功率，驱动电动机的电枢绕组，并受控于控制电路。驱动电路已从线性放大状态转成脉宽调製的开关状态，相应电路组成也从电晶体分立电路转成模组化积体电路。模组化积体电路有功率双极电晶体、功率场效应管和隔离栅场效应双极电晶体等组成形式。虽然，隔离栅场效应双极电晶体价格较贵，但从可靠安全和性能角度看，选用它还是较合适的。控制电路用作控制电机的转速、转向、电流(或转矩)以及保护电机的过流、过压、过热等。上述参数容易转成模拟信号，用此来控制较简单，但从发展来看，电机的参数应转换成数字量，通过数字式控制电路来控制电机。当前，控制电路有专用积体电路、微处理器和数位讯号处理器等三种组成方式。在对电机控制要求不高的场合，专用积体电路组成控制电路是简单实用的方式。採用数位讯号处理器组成控制电路是今后发展方向，有关数位讯号处理器将在下面交流同步伺服电动机中介绍。在微小功率範畴直流无刷电动机是发展较快的新型电机。由于各个套用领域需要各自独特的直流无刷电动机，所以直流无刷电动机的类型较多。大体上有计算机外存储器以及VCD、DVD、CD主轴驱动用扁平式无铁心电机结构，小型通风机用外转子电机结构，家电用多极磁场结构及内装式结构，电动脚踏车用多极、外转子结构等等。上述直流无刷电动机的电机本身和电路均成一体，使用十分方便，它的产量也非常大。为了满足大批量、低成本的市场需要，直流无刷电动机的生产必须要形成规模经济。因此，直流无刷电动机是一种高投入、高产出的行业。同时，我们应该考虑到市场也在不断地发展，如家用空调用电机正由3A转向3D，需要大量的中小功率的直流无刷直流电动机，研究和开发中小功率的直流无刷电动机也成当务之急。无刷电机（BLDCM）是在有刷直流电动机的基础上发展来的，但它的驱动电流是不折不扣的交流；无刷直流电机又可以分为无刷速率电机和无刷力矩电机。一般地，无刷电机的驱动电流有两种，一种是梯形波（一般是“方波”），另一种是正弦波。有时候把前一种叫直流无刷电机，后一种叫交流伺服电机，确切地讲是交流伺服电动机的一种。无刷直流电机为了减少转动惯量，通常採用“细长”的结构。无刷直流电机在重量和体积上要比有刷直流电机小的多，相应的转动惯量可以减少40%—50%左右。由于永磁材料的加工问题，致使无刷直流电机一般的容量都在100kW以下。这种电动机的机械特性和调节特性的线性度好，调速範围广，寿命长，维护方便噪声小，不存在因电刷而引起的一系列问题，所以这种电动机在控制系统中有很大的套用潜力。电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置感测器。驱动器由功率电子器件和积体电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置感测器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会象变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。中小容量的无刷直流电动机的永磁体，多採用高磁能积的稀土钕铁硼（Nd-Fe-B）材料。因此，稀土永磁无刷电动机的体积比同容量三相异步电动机缩小了一个机座号。近三十年来针对异步电动机变频调速的研究，归根到底是在寻找控制异步电动机转矩的方法，稀土永磁无刷直流电动机必将以其宽调速、小体积、高效率和稳态转速误差小等特点在调速领域显现优势。无刷直流电机因为具有直流有刷电机的特性,同时也是频率变化的装置,所以又名直流变频,国际通用名词为BLDC.无刷直流电机的运转效率,低速转矩,转速精度等都比任何控制技术的变频器还要好,所以值得业界关注.本产品已经生产超过55kW,可设计到400kW,可以解决产业界节电与高性能驱动的需求。相关设施无刷电机优点a) 电子换向来代替传统的机械换向，性能可靠、永无磨损、故障率低，寿命比有刷电机提高了约6倍，代表了电动机的发展方向； b) 属静态电机，空载电流小；c) 效率高；d) 体积小。缺点a) 低速起动时有轻微振动，如速度加大换相频率增大，就感觉不到振动现象了；b) 价格高，控制器要求高；c) 易形成共振，因为任何一件东西都有一个固有振动频率，如果无刷电机的振动频率与车架或塑胶件的振动频率相同或接近时就容易形成共振现象，但可以通过调整将共振现象减小到最小程度。所以採用无刷电机驱动的电动车有时会发出一种嗡嗡的声音是一种正常的现象。有刷电机优点：a) 变速平稳，几乎感觉不到振动；b)温升低，可靠性好；c) 价格低，所以被较多厂家选用。缺点：a) 碳刷易磨损，更换较为麻烦，寿命短；b) 运行电流大，电机磁钢易退磁，降低了电机的寿命。操作要让电机转动起来，首先控制部就必须根据hall-sensor感应到的电机转子所在位置，然后依照定子绕线决定开启(或关闭)换流器(inverter)中功率电晶体的顺序，如下（图二） inverter中之ah、bh、ch(这些称为上臂功率电晶体)及al、bl、cl(这些称为下臂功率电晶体)，使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。当电机转子转动到hall-sensor感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率电晶体，如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率电晶体(或只开下臂功率电晶体)；要电机转子反向则功率电晶体开启顺序相反。基本上功率电晶体的开法可举例如下：ah、bl一组→ah、cl一组→bh、cl一组→bh、al一组→ch、al一组→ch、bl一组但绝不能开成ah、al或bh、bl或ch、cl 。此外因为电子零件总有开关的回响时间，所以功率电晶体在关与开的交错时间要将零件的回响时间考虑进去，否则当上臂(或下臂)尚未完全关闭，下臂(或上臂)就已开启，结果就造成上、下臂短路而使功率电晶体烧毁。