直流无刷电动机及其调速控制

直流无刷电动机及其调速控制
1．直流无刷电动机的发展概况与应用
有刷直流电动机从19世纪40年代出现以来，以其优良的转矩控制特性，在相当长的一段时间内一直在运动控制领域占据主导地位。

但是，有机械接触电刷-换向器一直是电流电机的一个致命弱点，它降低了系统的可靠性，限制了其在很多场合中的使用。

为了取代有刷直流电动机的机械换向装置，人们进行了长期的探索。

早在1917年，Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流电动机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机的基本思想。

1955年美国的D.Harrison等首次申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电动机的机械电刷的专利，标志着现代无刷直流电动机的诞生。

无刷直流电动机的发展在很大程度上取决于电力电子技术的进步，在无刷直流电动机发展的早期，由于当时大功率开关器件仅处于初级发展阶段，可靠性差，价格昂贵，加上永磁材料和驱动控制技术水平的制约，使得无刷直流电动机自发明以后的一个相当长的时间内，性能都不理想，只能停留在实验室阶段，无法推广使用。

1970年以后，随着电力半导体工业的飞速发展，许多新型的全控型半导体功率器件（如GTR、MOSFET、IGBT等）相继问世，加之高磁能积永磁材料（如SmCo、NsFeB）陆续出现，这些均为无刷直流电动机广泛应用奠定了坚实的基础。

在1978年汉诺威贸易博览会上，前联邦德国的MANNESMANN公司正式推出了MAC无刷直流电动机及其驱动器，引起了世界各国的关注，随即在国际上掀起了研制和生产无刷直流系统的热潮，这业标志着无刷直流电动机走向实用阶段。

随着现代永磁材料和相关电子元器件的性能不断提高，价格不断下降，无刷电动机的到了快速发展，并被广泛应用于各个领域，例如，在数控机床、工业机器人以及医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺机械和家用电器等小功率场合，计算机的硬盘驱动和软盘驱动器器中的主轴电动机、录像机中的伺服电动机等。

2．直流无刷电动机的基本结构和工作原理
2.1直流无刷电动机的结构
直流无刷电动机的结构
示意图如图2-1所示。

无刷直流电动机由它是
由电动机本体、位置检测器、
逆变器和控制器组成。

无刷
直流电动机最初的设计思想
来自普通的有刷直流电动
机，不同的是将直流电动机
的定子、转子位置进行了互
换，其转子为永磁结构，产
生气隙磁通；定子为电枢，
有多相对称绕组。

原直流电
图2-1 无刷直流电机机构示意图
动机的电刷和机械换向器被
逆变器和转子位置检测器所代替。

所以无刷直流电动机的电机本体实际上是一种
永磁同步电机。

由于无刷直流电动机的电机本体为永磁电机，所以无刷直流电动机也称为永磁无刷直流电动机。

目前，无刷直流电动机的逆变器主开关一般采用IGBT或功率MOSFET等全控型器件，有些主电路已有集成的功率模块（PIC）和智能功率模块（IPM），选用这些模块可以提高系统的可靠性。

位置检测器的作用是检测转子磁极相对与定子绕组的位置信号，为逆变器提供正确的换相信息。

位置检测包括有位置传感器和无位置传感器检测两种方式。

控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，主要用于实现电机的正反转及停车控制、电机开环调速以及实现短路、过流、过电压和欠电压等故障保护电路。

2.2直流无刷电动机的工作原理
普通直流电动机的电枢在转子上，而定子产生固定不动的磁场。

为了使直流电动机旋转，需要通过换向器和电刷不断的改变电枢绕组中电流的方向，使两个磁场的方向始终保持相互垂直，从而产生恒定的转矩驱动电动机不断旋转。

无刷直流机为了去掉电刷，将电枢放到定子上去，而转子做成永磁体，这样的结构正好与普通电动机相反。

然而即使这样改变还不够，因为定子上的电枢通入直流电以后，只能产生不变的磁场电动机依然转不起来。

为了使电动机的转子转起来，必须使定子电枢各相绕组不断地换相通电，这样才能使定子磁场随着转子的位置不断地变化，使定子磁场与转子永磁磁场始终保持90o左右的空间角，产生转矩推动转子旋转。

在换相的过程中，定子各项绕组在工作气隙中所形成的旋转磁场是跳跃式运动。

这种旋转磁场在一周有三种状态，每种状态持续120o。

它们跟踪转子，并与转子的磁场相互作用，能够产生推动转子继续转动的转矩。

下面以三相定子绕组接成星形为例说明其驱动原理。

图2-2为无刷直流电动机
图2-2 无刷直流电动机组成原理图
组成原理图。

驱动电路开关管的控制原理可用图2-3加以说明。

（图中假设转子
只有一对磁极，定子绕组A、B、C三相对称，按每极每相60o相带分布）。

（a）A相正向通电，B相反向通电（b）转过60o
（c）继续旋转（d）A相正向通电，C相反向通电转过60
o
（e）B相正向通电，C相反向通电（f）转过60o
（g ）B 相正向通电，A 相反向通电 （h ）转过60o 图2-3 无刷直流机转子位置与换相的关系
假设当转子处于图2-3（a ）位置时为0o ，相带A ′、B 、C ′在N 级下，相带A 、B'、C 在S 级下，这时A 相正向通电，B 相反向通电，C 相不通电，各相通电波形见图1-3，产生的定子磁场与转子磁场相互作用，使转子逆时针恒速转动。

当转过60o 角后，转子位置如图（b ）所示。

这时如果转子继续转下去就进入图（c ）所示的位置，这样就会使同一磁极下的电枢绕组中有部分导体的电流方向不一致，它们互相抵消，削弱磁场，使电磁转矩减小。

因此，为了避免出现这样的结果，当转子转到图（b ）的位置时，就必须换相，使B 相断电，C 相反相通电。

转子继续旋转，转过60o 角后到图（d ）所示位置。

根据上面讲的道理必须要进行换相，即A 相断电，B 相正相通电，（e ）所示。

转子再转过60o 角，如图（f ）所示位置，再进行换相，使C 相断电，A 相反向通电，如图（g ）所示。

这样如此下去，转子每转过60o 角就换相一次，相电流按图所示的顺序进行断电和通电，电动机就会平稳地旋转下去。

3．直流无刷电动机的的运行特性和及基于DSP 控制器调速原理
设转子永久磁铁所产生的磁场在电动机气隙中是按正弦分布，转子转角为θ时，θsin m B B =。

当定子绕组某相通过直流电流时，电动机产生的转矩为：
θsin rI LB Z T m D a = (1)
式中,D Z 为相导体数；
L 为导体的有效长度； m B 为气隙磁通最大值；
r 为气隙半径；
I 为定子绕组相电流。

无刷直流机的电压平衡方程式为：
IR E U U a +=∆- ................................................（2） n K E e a = .....................................................................（3） I K T T a = (4)
则可写出机械特性方程式为:
n n T K K R
K U U n a T
e e ∆-=-∆-=
0)(……………………………（5） 式中，n 为电动机转速，min /r ；
U 为直流电源电压，V ； U ∆为功率晶体管压降，V ； a T 为电动机转矩平均值，M N •； R 为电动机内阻，Ω；
e K 、T K 分别为电势系数、转矩系数。

和直流电动机一样，当U 变化时即改变0n ，电动机可以进行无级调速。

但实际的无刷直流机调速系统是由电子换向线路和转子位置检测器代替传统直流电动机的机械换向装置而组成的，把检测到的端电压信号送到DSP ，计算出电动机的转速，再与给定的转速比较，输出PWM 信号，控制开关管的通断，从而控制电动机电流（电压）大小，是电动机的转速变化。

其调速原理是通过电子开关把交变的方波电流送入定子绕组，由开关频率的变化引起电动机转速的变化。

其控制系统原理框图如图3-1。

图 3-1 系统控制框图
4．直流无刷电动机及其调速系统的特点
（1）稀土永磁方波同步电动机通入逆变器供给的、与电动势同相的120°方波电流，就组成了无刷直流电动机。

它比正弦波电动机出力大，且理论上无电磁转矩脉动现象。

（2）无刷直流电动机调速原理和一般直流电动机相同，组成的调速系统类似，并且可以借鉴传统伺服系统的设计经验，因此，容易被人们接受和普及，更适合我国的国情。

（3）无刷直流电动机比正弦波永磁电动机控制简单，逆变器产生方波比正弦波容易，转子只需要带A、B、C三个敏感元件的磁极位置检测器即可，因此大大降低了其控制系统的成本。

（4）实验证明，由无刷直流电动机组成的伺服系统，具有转矩平滑、响应快、控制精度高的特点，故适用于数控机床及机器人等伺服驱动，以及对动、静态性能要求较高的电力拖动领域。