无刷直流电机概述

无刷直流电机控制技术进展综述

赵聪 S201302256

（北京工业大学电控学院，北京100124）

摘要：无刷直流电机具有控制简单、运行效率高、功率密度大等优点，应用越来越广泛。本文主要对直流无刷电动机进行理论分析，并基于电机模型讨论了目前主要使用的几种控制方法，最后阐述了当前无刷直流电机的研究热点。

关键字：无刷直流电机；控制技术；智能控制

The review of brushless dc motor control technology

progress

ZHAOCong

(College of electric control, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China) Abstract:Due to the advantage of simple driven, high efficiency, and high power density，brushless DC motor is used more and more widely . This paper analyses the theory of brushless dc motor, then based on motor model to discusses the current main use of several control methods, finally expounds the current research hotspots of brushless dc motor.

Key words: brushless dc motor；control technology；intelligent control

引言

直流无刷电动机最本质的特征就是没有机械换向器和电刷所构成的在运动中机械接触式换流机构，而代之以永磁转子刺激位置传感器——电子逻辑电路和功率开关线路共同组成的电子换向器，实现了直流电动机由直流电源供电逆变成电动机绕组内部的交变电流，从而实现几点能量转换，把电能变成机械能。

随着新型大功率器件的发展、永磁材料性能的改善、价格的降低，直流无刷电动机在各大领域中都得到广泛的应用，其控制技术的研究也因此成为当今社会一大研究热点。

1.BLDCM基本结构和工作原理

1.1基本结构

无刷直流电机的设计思想来源于利用电子开关电路代替有刷直流电机的机械换向器。普通有刷直流电机电刷起换相作用，使主磁场和电枢磁场的方向在电机运行过程中始终保持互相垂直，从而产生最大转矩，驱动电机不停运转。无刷直流电机为了实现无机械接触换相，取消了电刷，将电枢绕组和永磁磁钢分别放在定子和转子侧，成为“倒装式直流电机”结构。为了实现对电机转速和转动方向的控制，无刷直流电机必须具有由转子位置传感器、控制电路及功率逆变桥共同构成的换相装置。其原理框图如图1.1所示。

图1.1无刷直流电动机原理框图

与其他类型电机相比，无刷直流电机采用方波励磁形式，提高了永磁材料的利用率，减小了电机体积，增大了电机出力，具有高效率、高可靠性的特点。因此，无刷直流电机在提高几点产品质量、延长其使用寿命、节能降耗等方面具有重要意义[12]。

1.2工作原理

由于无刷直流电动机没有电刷和换向器,它的绕组里电流的通、断是通过电子换向电路及功率放大器实现的。要在电动机中产生恒定方向的电磁转矩,就应使电枢电流随磁场位置的变化而变化。为实现这一点,就需要确认磁极与绕组之间的相对位置信

息。一般采用位置传感器来完成,由位置传感器将转子磁极的位置信号转换成电信号,然后去驱动功率器件,控制相应绕组电流的通、断。与有刷直流电动机不同,无刷直流电动机的永久磁钢磁极安放在转子上,而电枢绕组安装在定子上。位置传感器也有相应的两部分,转动部分和电动机本体中转子同轴连接(转动部分通常由电机转子代替),固定部分与定子相连。

图1.2无刷直流电机原理示意图

如图1.2所示,在电动机装配过程中,首先调整好位置传感器的三个信号元件(a、b、c)与电机定子三相绕组(AX,BY,CZ)之间的

相对位置,使得转子磁场转到定子某相绕组下时,该相绕组才导通,以保证转子磁极下的绕组导体电流方向始终保持一致。图中,当电动机转子N极位于A(a)处,则传感器a元件感应出信号,使功率晶体管V1导通,A相绕组中便有电流通过,设其方向为A(流入)、

X(流出),便产生水平向左的定子磁场,与向

上的转子磁场相互作用而产生电磁转矩,驱动转子逆时针旋转;当N极旋转至B(b)处,b 元件输出信号使晶体管V2导通而其余关断,B相绕组通过电流,同样产生逆时针方向的电磁转矩,当磁极旋转至C(c)处,其动作过程与前两处相同。如此反复循环,.电动机即可旋转起来。由于传感器元件安装位置为空间互差120°电角度,因此三相绕组轮流通

电时间也因为每相120°。因为功率晶体管的导通和截止是通过位置传感器传感信号

来控制的,所以传感器的位置和三相绕组位置之间必须有严格的对应,在电机安装时应加以注意[2]。

2.功率驱动方式

根据直流无刷电机定子绕组与换相开

关之间联结方式的不同以及换相开关结构

的不同，可以把对直流无刷电机的控制分为两类：一类是半桥型控制结构，另一类是

全桥型控制结构。全桥式又分为两两导通方式和三三导通方式。

除这两种常见功率驱动方式外，在有些无刷直流电机应用场合，为了实现较好的控制性能，又要求系统成本低、安装尺寸小等，也存在使用C-Dump式驱动电路、H桥式、四开关等驱动电路，详见[12]和[9]。

3.无刷直流电机控制技术发展

3.1脉冲宽度调制技术

3.1.1PWM技术原理

由于全控性电力半导体器件的出现，不仅使得你变电路的结构大为简化，而且在控制策略上与晶闸管类的半控型器件相比，也有着根本的不同，由原来的相位控制技术改变为脉冲宽度控制技术，简称为PWM技术。

采用PWM方式构成的逆变器，其输入为固定不变的直流电压，可以通过PWM技术在同一逆变器中既实现调压又实现调频。对应系统应用见[2]。

直流无刷电机在三相六状态导通方式下，有多种斩波形式，根据每个导通状态PWM 作用管子数目的不同，把PWM 调制方式分成两大类，一类是“双斩”方式，通常也称作H_PWM-L_PWM 控制方式，每个导通状态控制器上、下桥臂的功率管全部进行PWM 调制；另一类是“单斩”方式，在三相六状态的任意一个状态区间内只对上桥臂或者是只对下桥臂的一个功率管进行PWM 斩波控制。不同类型的斩波方式对系统有不同的影响，具体细节参照[7]和[9]。

3.1.2正弦波脉宽调制

工程实际用的很多是正弦PWM法，它是在每半个周期内输出若干个宽窄不同的矩形脉冲波，每一矩形波的面积近似对应正弦波各相应局部波形下的面积。

SPWM方式的控制方法可分为多种。从实现的途径可分为硬件电路与软件编程两种类型；而从工作原理上则可按调制脉冲的