直流无刷电动机

同步电机的一种

直流无刷电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(P)影响：N=120．f / P。

简介

直流无刷电动机（Brushless DC Motor）是没有电刷和换向器的直流电动机。

结构上是永磁交流同步电机，利用电力电子技术（变频器）输入交流讯号到马达。但这些交流讯号不是正弦波，只是双向的直流电，波形没有限制。但新型向量控制技术已对无刷直流电机使用正弦波控制，使得转矩波动和低速性能均有较大改善。

较简单的结构是有一枚永久磁铁及两组（四个）线圈，两组线圈轮流开关。永久磁铁是转子，线圈是定子。当磁铁与线圈成一直线的时候，断开该组线圈，启动下一组线圈。

与传统有刷式直流电动机相比，无刷式较为安全和可靠。碳刷长期使用有碳粉，高温环境下，碳粉可能会爆炸。因此，需要定期清理，同时保养成本较高。

产品介绍

由于直流无刷电动机既具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点，故在当今国民经济各领域应用日益普及。

一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活中。其主要类型有同步电动机、异步电动机和直流电动机三种。由于传统的直流电动机均采用电刷以机械方法进行换向，因而存在相对的机械摩擦，由此带来了噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而大大限制了它的应用范围，致使目前工农业生产上大多数均采用三相异步电动机。

针对上述传统直流电动机的弊病，早在上世纪30年代就有人开始研制以电子换向代替电刷机械换向的直流无刷电动机。经过了几十年的努力，直至上世纪60年代初终于实现了这一愿望。上世纪70年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多高性能半导体功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT、IPM等相继出现，以及高性能永磁材料的问世，均为直流无刷电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。

直流无刷电机的控制结构

N=120．f / P。在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。直流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制（驱动器），控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说直流无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。

直流无刷驱动器包括电源部及控制部如图 ⑴ ：电源部提供三相电源给电机，控制部则依需求转换输入电源频率。

电源部可以直接以直流电输入（一般为24V）或以交流电输入（110V/220 V），如果输入是交流电就得先经转换器（converter）转成直流。不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由换流器（inverter）转成3相电压来驱动电机。换流器（inverter）一般由6个功率晶体管（Q1～Q6）分为上臂（Q1、Q3、Q5）/下臂（Q2、Q4、Q6）连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供PWM（脉冲宽度调制）决定功率晶体管开关频度及换流器（inverter）换相的时机。直流无刷电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制，所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器（hall-sensor），作为速度之闭回路控制，同时也作为相序控制的依据。但这只是用来做为速度控制并不能拿来做为定位控制。

控制原理

要让电机转动起来，首先控制部就必须根据hall-sensor感应到的电机转子目前所在位置，然后依照定子绕线决定开启（或关闭）换流器（inverter）中功率晶体管的顺序，如下（图二） inverter中之AH、BH、CH（这些称为上臂功率晶体管）及AL、BL、CL（这些称为下臂功率晶体管），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晶体管，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晶体管（或只开下臂功率晶体管）；要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。

晶体管的开法

基本上功率晶体管的开法可举例如下：

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响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，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、下臂短路而使功率晶体管烧毁。

PWM

当电机转动起来，控制部会再根据驱动器设定的速度及加/减速率所组成的命令（Command）与hall-sensor信号变化的速度加以比对（或由软件运算）再来决定由下一组（AH、BL或AH、CL或BH、CL或……）开关导通，以及导通时间长短。速度不够则开长，速度过头则减短，此部份工作就由PWM来完成。PWM是决定电机转速快或慢的方式，如何产生这样的PWM才是要达到较精准速度控制的核心。高转速的速度控制必须考虑到系统的CLOCK 分辨率是否足以掌握处理软件指令的时间，另外，对于hall-sensor信号变化的资料存取方式也影响到处理器效能与判定正确性、实时性。至于低转速的速度控制尤其是低速起动则因为回传的hall-sensor信号变化变得更慢，怎样撷取信号方式、处理时机以及根据电机特性适当配置控制参数值就显得非常重要。或者速度回传改变以encoder变化为参考，使信号分辨率增加以期得到更佳的控制。电机能够运转顺畅而且响应良好，P.I.D.控制的恰当与否也无法忽视。之前提到直流无刷电机是闭回路控制，因此回授信号就等于是告诉控制部现在电机转速距离目标速度还差多少，这就是误差（Error）。知道了误差自然就要补偿，方式有传统的工程控制如P.I.D.控制。但控制的状态及环境其实是复杂多变的，若要控制的坚固耐用则要考虑的因素恐怕不是传统的工程控制能完全掌握，所以模糊控制、专家系统及神经网络也将被纳入成为智能型PID控制的重要理论。

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