有刷直流電機(jī)

直流電機(jī)以良好的啟動(dòng)性能、調(diào)速性能等優(yōu)點(diǎn)著稱，其中屬于直流電機(jī)一類的有刷直流電機(jī)采用機(jī)械換向器，使得驅(qū)動(dòng)方法簡單，其模型示意圖如圖1所示。

圖1 直流電機(jī)模型示意圖

電機(jī)主要由永磁材料制造的定子、繞有線圈繞組的轉(zhuǎn)子（電樞） 、換向器和電刷等構(gòu)成。只要在電刷的A和B兩端通入一定的直流電流， 電機(jī)的換向器就會(huì)自動(dòng)改變電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁場方向，這樣，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子就會(huì)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)下去。

由些可見，換向器和電刷在直流電機(jī)中扮演著重要的角色，雖然它可以簡化電機(jī)控制器的結(jié)構(gòu)，但是，它自身卻存在一定的缺點(diǎn)：

●結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，增加了制造成本；

●容易被環(huán)境（如灰塵等）影響，降低了工作的可靠性；

●換向時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花，限制了使用范圍；

●容易損壞，增加了維護(hù)成本等。

無刷直流電機(jī)

無刷直流電機(jī)（Brushless Direct Current Motor, BLDCM）的誕生，克服了有刷直流電機(jī)的先天性缺陷，以電子換向器取代了機(jī)械換向器，所以無刷直流電機(jī)既具有直流電機(jī)良好的調(diào)速性能等特點(diǎn)，又具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、無換向火花、運(yùn)行可靠和易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 無刷直流電機(jī)模型

圖2所示無刷直流電機(jī)模型，它是從圖1轉(zhuǎn)化過來的模型。它主要由用永磁材料制造的轉(zhuǎn)子、帶有線圈繞組的定子和位置傳感器（可有可無）組成?？梢?，它和直流電機(jī)有著很多共同點(diǎn)，定子和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)差不多（原來的定子變?yōu)檗D(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子變?yōu)槎ㄗ樱?，繞組的連線也基本相同。但是，結(jié)構(gòu)上它們有一個(gè)明顯的區(qū)別：無刷直流電機(jī)沒有直流電機(jī)中的換向器和電刷，取而代之的是位置傳感器。這樣，電機(jī)結(jié)構(gòu)就相對(duì)簡單，降低了電機(jī)的制造和維護(hù)成本，但無刷直流電機(jī)不能自動(dòng)換向 （相） ， 犧牲的代價(jià)是電機(jī)控制器成本的提高 （如同樣是三相直流電機(jī)，有刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)橋需要 4 只功率管，而無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)橋則需要 6 只功率管） 。

圖2所示為其中一種小功率三相、星形連接、單副磁對(duì)極的無刷直流電機(jī)，它的定子在內(nèi)，轉(zhuǎn)子在外，結(jié)構(gòu)和圖1所示的直流電機(jī)很相似。另一種無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和這種剛剛相反，它的定子在外，轉(zhuǎn)子在內(nèi)，即定子是線圈繞組組成的機(jī)座，而轉(zhuǎn)子用永磁材料制造。

無刷直流電機(jī)有以下的特點(diǎn)：

●無刷直流電機(jī)的外特性好，能夠在低速下輸出大轉(zhuǎn)矩，使得它可以提供大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；

●無刷直流電機(jī)的速度范圍寬，任何速度下都可以全功率運(yùn)行；

●無刷直流電機(jī)的效率高、過載能力強(qiáng)，使得它在拖動(dòng)系統(tǒng)中有出色的表現(xiàn)；

●無刷直流電機(jī)的再生制動(dòng)效果好，由于它的轉(zhuǎn)子是永磁材料，制動(dòng)時(shí)電機(jī)可以進(jìn)入發(fā)電機(jī)狀態(tài)；

●無刷直流電機(jī)的體積小，功率密度高；

●無刷直流電機(jī)無機(jī)械換向器，采用全封閉式結(jié)構(gòu)，可以防止塵土進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，可靠性高；

●無刷直流電機(jī)比異步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制簡單。

1.無刷直流電機(jī)的工作原理

無刷直流電機(jī)的定子是線圈繞組電樞，轉(zhuǎn)子是永磁體。如果只給電機(jī)通以固定的直流電流，則電機(jī)只能產(chǎn)生不變的磁場，電機(jī)不能轉(zhuǎn)動(dòng)起來，只有實(shí)時(shí)檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，再根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置給電機(jī)的不同相通以對(duì)應(yīng)的電流，使定子產(chǎn)生方向均勻變化的旋轉(zhuǎn)磁場，電機(jī)才可以跟著磁場轉(zhuǎn)動(dòng)起來。

圖3 無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)原理

如圖3所示為無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理示意圖，為了方便描述，電機(jī)定子的線圈中心抽頭接電機(jī)電源POWER，各相的端點(diǎn)接功率管，位置傳感器導(dǎo)通時(shí)使功率管的G極接12V，功率管導(dǎo)通，對(duì)應(yīng)的相線圈被通電。由于三個(gè)位置傳感器隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)依次導(dǎo)通，使得對(duì)應(yīng)的相線圈也依次通電，從而定子產(chǎn)生的磁場方向也不斷地變化，電機(jī)轉(zhuǎn)子也跟著轉(zhuǎn)動(dòng)起來，這就是無刷直流電機(jī)的基本轉(zhuǎn)動(dòng)原理——檢測轉(zhuǎn)子的位置，依次給各相通電，使定子產(chǎn)生的磁場的方向連續(xù)均勻地變化。

在下文介紹無刷直流電機(jī)的有位置傳感器驅(qū)動(dòng)的一節(jié)，將會(huì)進(jìn)一步介紹無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理。

為了方便理解，本文檔以下內(nèi)容統(tǒng)一用如圖4所示的這兩種符號(hào)作為模型簡介。其中A為電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子在同一圓心上，B為不同一圓心上，是為了方便說明電機(jī)內(nèi)部磁場。詳細(xì)請(qǐng)看下文。

圖4 無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2.無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方法

無刷直機(jī)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式按不同類別可分多種驅(qū)動(dòng)方式，它們各有特點(diǎn)。

按驅(qū)動(dòng)波形：

●方波驅(qū)動(dòng)，這種驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)方便，易于實(shí)現(xiàn)電機(jī)無位置傳感器控制。

●正弦驅(qū)動(dòng)，這種驅(qū)動(dòng)方式可以改善電機(jī)運(yùn)行效果，使輸出力矩均勻，但實(shí)現(xiàn)過程相對(duì)復(fù)雜。同時(shí)，這種方法又有 SPWM 和 SVPWM（空間矢量 PWM）兩種方式，SVPWM的效果好于 SPWM。