直流無刷電機(Brushless Direct Current Motor，簡稱BLDCM)是指由方波電流驅動的、能夠將直流電能轉換成機械能 (直流電動機) 或將機械能轉換成直流電能(直流發(fā)電機)并且不含有碳刷的旋轉電機，由定子、轉子和電機控制部分組成，通過方波電流進行控制驅動，控制逆變器功率管使其以指定的規(guī)律導通、斷開，令定子電樞產生以60°電角度持續(xù)前進的磁勢，帶動轉子的旋轉，有開環(huán)和閉環(huán)兩種控制方法，其區(qū)別于有刷電機最大的特點就是沒有碳刷，安全、無磨損且調速性能好，在電子數碼、工業(yè)控制、醫(yī)療、汽車等領域取得了廣泛的應用。
介紹
直流無刷電機由轉子、定子及電機控制部分組成，其中轉子的主要部件是永磁體，定子包含線圈繞組和鐵心,電機控制部分則包含了檢相、換相元件以及無刷電機控制器。除去電子換相部分，直流無刷電機的結構較為簡單。直流無刷電機是以永磁直流有刷電機為基礎改進發(fā)展出來的，其特點是機電一體化。隨著電子控制技術的發(fā)展，直流無刷電機控制電流波形從方波發(fā)展到更平滑的正弦波和同步控制,同步運行無刷電機，又稱同步電機。目前的直流無刷電機僅包含單一方波電流輸入，不涉及同步控制技術的電機。相較于永磁直流有刷電機，直流無刷電機在功率密度、峰值效率、運行壽命、可靠性、結構堅固性方面都更強，僅在控制器成本上稍顯劣勢。
發(fā)展簡史
直流無刷電機是在永磁直流有刷電機的基礎上發(fā)展而來的，其結構上要比有刷電機更為復雜。直流有刷電機具有響應速度快速、啟動轉矩大、從零轉速至額定轉速具備可提供額定轉矩的特性,但由于直流電機有著額定負載下恒定轉矩的特性，其電樞磁場與轉子磁場必須一直保持垂直,這就要利用碳刷和整流子。碳刷在電機轉動時摩擦會升溫產生火花,其不僅在使用壽命上低于無刷電機,在一些要求高安全的使用場合也受到限制。
在1917年，Boiiger提出了用整流管代替有刷電機的碳刷和整流子，即為無刷直流電機的基本思想。1955年，美國D．Harrison等人申請了用晶體管換向線路代替有刷直流電機機械電刷的專利，標志著現代無刷電機的誕生。但由于當時還沒有出現能夠檢測電機轉子位置的元件，該電機無法啟動。隨著從1960年起固態(tài)技術的興起，1962年，TG Wilson和PH Trickey創(chuàng)造出了第一臺無刷直流電機，他們將這臺電機稱為“帶固態(tài)換向的直流電機”。無刷電機最主要的特點就是它不需要物理上的換向器，因此能夠廣泛應用于計算機磁盤驅動器，機器人和飛機上。無刷直流電機的蓬勃發(fā)展始于1978年，當時原西德MANNESMANN公司的Indramat分部在漢諾威貿易博覽會上，首次推出了MAC經典無刷直流電機及其驅動器，受到了人們的廣泛關注。電力電子技術和集成控制技術的飛速發(fā)展，使市場涌現出了一批性能優(yōu)良、價格低廉的電子元器件，為無刷直流電機的興起鋪平了道路，十九世紀八十年代，學術界和工業(yè)界興起了一波研究和改進直流無刷電機的浪潮，在隨后的數十年里，無刷直流電機得到了廣泛的發(fā)展。
基本結構
直流無刷電機的基本結構如右圖所示，主要由電動機本體、內置轉子位置傳感器和外加在轉軸上的轉速傳感器三個部分構成的。
電動機本體
電動機本體由定子和轉子兩部分構成。
定子：定子是電動機的電樞部分，其結構上開有齒槽，齒槽數量為轉子極數和相數的整數倍。定子鐵芯采用硅鋼片疊壓制成（該設計可降低渦流損耗），鐵芯中纏繞著對稱的多相繞組(繞組的相數并不固定，一般都是三相或四相，也可以是二相或五相)，繞組可以接成星形或角形，各相繞組分別與逆變器中各開關管相連接。
轉子：轉子的主要部分是具有一定磁極對數的永磁體，由永磁材料制成，作用是在電動機的氣隙中建立一定強度的磁場。轉子的結構可以采用凸極式或者內嵌式，具體可如下圖所示。
凸極式(外裝式)：在轉子的外表面貼上扇形的永磁體，即為凸極式轉子，其主要優(yōu)點是電樞電感小，齒槽效應轉矩小，但同時也存在一定的缺點：氣隙磁通密度低、磁通不集中且易受電樞反應影響，因此凸極式轉子常見于小容量的低速電機。
內嵌式(內裝式)：在定子和轉子的鐵芯中嵌入矩形的永磁體，即為內嵌式轉子，與凸極式轉子相對，其主要優(yōu)點是氣隙磁通密度大、磁通集中且不易受電樞反應影響，但也存在著電樞電感大，齒槽效應轉矩大的缺點，因此內嵌式轉子常見于大容量的高速電機。
轉子位置傳感器
轉子位置傳感器的主要作用是檢測轉子磁極相對于定子電樞繞組軸線的位置，從而提供給逆變電路正確的換相信息，通過將轉子磁鋼磁極的位置信號轉換成電信號傳遞給電機控制器，電機控制器根據得到的位置信息控制定子繞組換相，保證電動機定子繞組中的電流根據轉子位置的變化按次序換相，從而在電動機氣隙中形成步進式的旋轉磁場，驅動永磁轉子持續(xù)不斷地旋轉。
無刷直流電動機中常用的轉子位置傳感器主要包括霍爾式位置傳感器、電磁式位置傳感器、磁敏式位置傳感器和光電式位置傳感器。其中霍爾式位置傳感器以其結構簡單、成本低、體積小不占據空間、易于安裝、易于機電一體化等優(yōu)點，占據著越來越大的市場。
轉子轉速傳感器
為了通過轉速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)控制無刷電機，可以將增式光電脈沖編碼器安裝在轉子上來獲取無刷電機中轉子的轉速，測量轉子轉速的方法有 M 法、T法、M/T 法以及鎖相法。
工作原理
直流無刷電機利用方波電流進行驅動控制，在方波電流作用下，逆變器功率管根據方波的高和低來實現導通或者關斷，使電動機定子電樞產生按60°電角度持續(xù)前進的磁場，從而帶動永磁轉子的旋轉。下圖給出了方波控制電流以及對應的磁通密度分布、相反電動勢和電磁轉矩波形。
最常見的工作方式為三相橋式六狀態(tài)的工作方式，在360°（電氣角）的一個電氣周期內，三相繞組有六個導通狀態(tài)，據此可以劃分為六個區(qū)間。三相繞組的三個端連接在由六個大功率開關器件組成的三相橋式逆變器的三個橋臂上，繞組為星形接法時，在任意時刻，三相繞組中都一定有且只有兩個繞組串聯導電，其中一相為正向導通，另一相為反向導通。取任意一相繞組，其在一個電氣周期內，正向導通、反向導通、不導通各占三分之一。
某一相繞組正向導通產生轉矩：當電機轉子恒速轉動，電流為恒值時，由控制器電流環(huán)作用強迫該相電流為某一恒值。在理想情況下，無刷電機的氣隙磁通密度分布促使每相繞組的反電動勢波形為有平坦頂部的梯形波，梯形波的上頂角度接近120°，如右圖所示。在轉子位置傳感器作用下，該相電流導通120°范圍和同相繞組反電動勢波形平坦部分120°范圍在相位上是完全重合的。從而保證了在該相電流導通時產生的電磁功率和電磁轉矩保持為恒值。根據每相繞組正向導通和反向導通的對稱性以及三相繞組的對稱性，總合成的電磁轉矩也為恒值，不隨轉角位置而變。在一相繞組正向導通120°范圍內，輸入相電流I為恒值，它的一相繞組反電動勢E為恒值，轉子角速度為Ω，其產生的電磁轉矩可由下式表示:
考慮在一個電氣周期內該相還反向導通120°，以及三相電磁轉矩的疊加，則在一個360°電氣周期范圍內的總電磁轉矩T為:
在上述理想情況下，方波驅動無刷電機轉矩與電流存在著線性關系，在理論上不會出現轉矩波動。但是，在實際應用中，由于每相反電動勢梯形波平頂部分的寬度很難達到120°，平頂部分也不會是絕對的平坦無紋波，加上齒槽效應的存在、換相過渡過程的電感作用以及電流波形不是等原因，存在著一定的轉矩波動。
控制概述
控制電路組成
無刷直流電動機基本控制結構框圖如下圖所示。無刷直流電動機必須配以電子控制器才能實現繞組的電子換相。無刷電機的控制電路包括電子換相電路部分、電動機部分以及控制信號處理電路部分，其中電子換相電路部分由換相信號處理電路、轉子位置傳感器電路和功率開關電路組成。
轉子位置傳感器電路：位置傳感器電路為位置傳感器提供激勵，包括為光電傳感器、霍爾傳感器提供穩(wěn)定的低壓直流電源，為電磁式傳感器提供高頻交流激勵電源等。
位置傳感器電路不僅要接收位置傳感器的輸出信號，還要對其進行放大、整形處理才能得到矩形波信號，發(fā)送給控制電路。對于無位置傳感器控制方式，則需要單獨從電動機取得某種信息，并通過特定的電路和軟件來計算獲得定子和轉子的位置信息。
換相信號處理電路：換相信號處理電路通過對位置傳感器信號和控制信號進行綜合運算和邏輯處理，來獲得對各相繞組的導通順序以及合適的導通角度的邏輯信號，提供給功率開關電路。
功率開關電路：功率開關電路由逆變橋電路、功率開關的柵極（或基極、門極）驅動電路、續(xù)流電路和吸收電路等組成。通過由功率開關器件（如GTR、MOSFET、IGBT或功率模塊）組成的橋式逆變電路或非橋式開關電路連接電動機的三相繞組，以接通或斷開相繞組，實現各相繞組的正確換相以及完成控制指令。功率開關電路絕大多數按開關方式工作。僅在小功率無刷直流電動機的個別例子中，其功率晶體管處于放大工作狀態(tài)。
開環(huán)、閉環(huán)控制
無刷直流電動機可以采用開環(huán)控制系統(tǒng)或者閉環(huán)控制系統(tǒng)。
開環(huán)控制：開環(huán)控制系統(tǒng)相對比較簡單，僅通過轉子位置傳感器來獲取轉子的位置信息，從而保證轉子位置與電動機換相同步。電動機的轉速和電流由取決于電動機的以及所驅動負載的機械特性。當電壓或著負載出現波動時，電動機的轉速也會發(fā)生一定的波動，不能通過控制使其保持穩(wěn)定。
閉環(huán)控制：常見的轉速電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)可以通過監(jiān)測轉子轉速、和相電流的反饋信息來調節(jié)控制電流，從而獲得更好的控制效果和更完善的控制功能，實現一定程度的穩(wěn)速或調速控制。其原理框圖如下圖所示。
該系統(tǒng)的工作原理：外部會給定控制系統(tǒng)一個電機的目標速度值，即系統(tǒng)的控制目標，轉子位置傳感器電路對測得的轉子位置信息進行處理獲得轉子的當前轉速，目標速度值與速度反饋值存在一定的差異，兩者相減會得到速度差值，通過速度調節(jié)器可以進行PI（比例和積分）調節(jié)，從而輸出電流環(huán)的給定值（基于目標速度的目標電流），同理與電流傳感器得到的電流反饋值進行比較得到電流差值，電流差值再通過電流調節(jié)器進行調節(jié)，輸出的調節(jié)信號在PWM電路中變換成相應的PWM的脈沖寬度，然后綜合轉子位置信號產生所需的各相PWM控制信號。該PWM控制信號送至基極（或柵極、門極）驅動電路，驅動三相逆變橋電路，使相應的功率開關器件工作，通過合適的PWM占空比來驅動電動機繞組。
此外，轉速電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)還會利用轉子位置反饋信息將電流傳感器信號進行采樣，形成一個代表電動機轉矩的合成電流信號，并使相反電動勢和相電流的相位始終保持一致。
雙閉環(huán)控制系統(tǒng)可以保證電動機在電壓、負載變化或外界噪音擾動的情況下，系統(tǒng)自動的進行調整，使其轉速能夠時刻與目標轉速保持一致。
應用領域
辦公計算機外圍設備、電子數碼消費品
無刷直流電機的體積小，功率密度高，使其廣泛應用于日常辦公用機器（打印機、傳真機、復印機）以及電子數碼消費品（HDD、軟盤驅動器、電影攝影機、磁帶記錄儀）中。
工業(yè)控制領域
無刷直流電機的效率高、過載能力強，在拖動系統(tǒng)中展現出了優(yōu)異的性能，同時在紡織、冶金、印刷、自動化生產流水線、數控機床等工業(yè)生產方面，無刷直流電機都有涉獵。
醫(yī)療設備領域
無刷直流電機無機械換向器，采用全封閉式結構，可以防止塵土進入電機內部，可靠性高。用來驅動人工心臟中的小型血泵、手術用高速器具的高速離心機、熱像儀和測溫儀的紅外激光調制器都使用了無刷直流電機。
汽車領域
隨著汽車行業(yè)向著節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展，新能源汽車中所使用的電機也必須滿足高效率、低能耗的標準。無刷直流電機的低噪聲、壽命長、無火花干擾、方便集中控制等優(yōu)點完全符合汽車中應用的要求，除了用于驅動電車的電機外，無刷直流電機在雨刷器、電動車門、汽車空調、電動車窗等部位都有應用。
參考資料 >