直流无刷电动机原理与技术应用

课程论文

课题名称：直流无刷电动机原理与技术应用专业

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2013年6月3日直流无刷电动机原理与技术应用

一、直流无刷电动机与直流有刷电动机

直流有刷电机和无刷电机的区别是是否配置有常用的电刷-换向器。有刷直流电机的换向一直是通过石墨电刷与安装在转子上的环形换向器相接触来实现的。而直流无刷电机则通过霍尔传感器把转子位置反馈回控制电路，使其能够获知电机相位换向的准确时间。大多数无刷电机生产商生产的电机都具有三个霍尔效应定位传感器。由于无刷电机没有电刷，故也没有相关接口，因此更干净，噪声更小，事实上无需维护，寿命更长。

二、直流无刷电动机的结构及控制原理

1、直流无刷电动机的结构

直流无刷驱动器包括电源部及控制部：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作为定位控制。

2、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，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。

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。

三、直流无刷电动机的应用

现在，由于市场需求的增长，面向3a(工业自动化、办公自动化、家庭自动化)，永磁无刷直流电动机的功率覆盖范围早已突破微电机功率界限，从瓦级到数十千瓦．主要应用领域包括：

1在计算机外围设备、办公自动化设备、数码电子消费品中的应用

从数量上说，这是无刷直流电动机应用最多的领域，其地位已不可取代。例如：数字打印机，软盘驱动器，硬盘驱动器，cd rom和dvdrom等光盘驱动器，传真机，复印机，磁带记录仪，电影摄影机，高保真录音机和电唱机等，它们主轴和附属运动的控制等都需要用到无刷直流电动机。无刷直流风机也在计算机外设、办公自动化设备以及其他自动化仪器设备中获得广泛应用大量挤占了原来交流异步风机的市场。目前，在it领域，例如软盘、硬盘和光盘驱动器、dvd和cd主轴驱动器使用的无刷直流电动机由于市场竞争，大规模生产，价格已经大大降低了。

2在工业驱动和伺服控制中的应用

同步型永磁交流伺服电动机的伺服控制器部分，除开关管脉宽调制功率电路

外，还包括有专用集成电路或者微处理器对电动机速度、电流环进行控制、进行各种失常情况的保护和故障自诊断。这种新型电动机的典型应用如火炮、雷达等

军事装备控制，数控机床、组合机床的伺服控制，机器人关节伺服控制等。

20世纪90年代以来，在高精度的机床数控设备进给伺服控制中相当多地采用了同步型永磁交流伺服电机，取代宽调速的直流伺服电动机的势头强劲。近年来·在新一代数控机床的进给伺服控制中采用永磁交流直线伺服电动机，采用同步永磁交流伺服电机代替变频异步电机作为机床的主轴直接驱动以提高数控机床快速性和加工效率，也已成为新的研究和应用热点。在军用和工业用机器人和机械手的驱动中，无刷直流电动机的应用相当广泛。目前全世界机器人的拥有量已经超过100万台，且每年以大于20％的速度增长，这已经成为无刷直流电动机的主要应用领域之。大功率无刷直流电动机(一般采用晶闸管作为功率器件，习惯上称为元换向器电动机)在低速、环境恶劣和有一定调速性能要求的场合有着广泛的应用前景，如钢厂的轧机、水泥窑传动、抽水蓄能等。

近年出现的最新一代电梯无齿轮曳引机，是以同步永磁交流伺服电动机为动力，磁场定向矢量控制和快速电流跟踪控制的电梯驱动装置，它和有齿轮传动的直流曳引机、异步电动机变频驱动的交流曳引机相比有更优异控制胜能，高效率，低噪声，小体积，轻质量，迅速被国际知名电梯公司重视，纷纷开发出自己的无齿轮曳引机电梯，并将其推向高端市场。此外，同步永磁交流伺服电机在纺织机械、印刷机械、包装机械、冶金机械、邮政机械、自动化流水生产线等各种专用设备有广泛的应用。

3在汽车产业的应用

据美国市场调查分析，在每辆豪华轿车中，需永磁电机59只，一般轿车中也需20～30只。另一方面汽车节能日渐受到重视，现代汽车要求使用的电机改善性能和提高效率，要扁平盘式结构，以减小空间，提高出力，消除火花干扰，降低噪音，延长寿命，便于集中控制，这正是无刷电机的特长。预计，汽车用的有刷电机将不断被永磁无刷电机所替代。

在电动汽车、电动摩托车、电动自行车等交流工具中，无刷直流电动机作为主动力驱动电动机，以环保为目的的电动汽车中，其牵引驱动电机以永磁无刷直流电动机最有发展前途。

4在医疗设备领域的应用

例如，高速离心机，牙科和手术用高速器具，红外激光调制器用热像仪，测温仪器等。国外已有用于制作人工心脏驱动的小型血泵，植入人体内。

5在家用电器中的应用

目前，以变频空调器、变频冰箱、变频洗衣机为代表的变频家用电器步进入我国消费市场。而且变频家用电器正在由“交流变频”向俗称的“直流变频”转变，已是明显的发展趋势。

这种转变实际上就是变频家电用变频空调压缩机、变频冰箱压缩机、空调用室内外风机、空气清新换气扇、变频洗衣机所用的电动机，过去是单相异步电动机或变频器供电的异步电动机，现已被永磁无刷直流电动机及其控制器所取代。这种由交流变频，向“直流变频”的转变使变频家用电器在节能高效、低噪音、舒适洼、智能化等方面都有新的提高。1998年至今我国变频空调发展迅速，开