《电子技术应用》

无刷直流电机(BLDC)详解

2016/5/23 16:15:00

  1.2  无刷直流电机的工作原理
  1.2.1  无刷直流电机的特点
  直流电机主要有直流有刷电机和无刷直流电机两种。
  1.  有刷直流电机
  直流电机以良好的启动性能、调速性能等优点著称,其中属于直流电机一类的有刷直流电机采用机械换向器,使得驱动方法简单,其模型示意图如图 1.2 所示。
  电机主要由永磁材料制造的定子、绕有线圈绕组的转子(电枢) 、换向器和电刷等构成。只要在电刷的A和B两端通入一定的直流电流, 电机的换向器就会自动改变电机转子的磁场方向,这样,直流电机的转子就会持续运转下去。

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  由些可见,换向器和电刷在直流电机中扮演着重要的角色,虽然它可以简化电机控制器的结构,但是,它自身却存在一定的缺点:
  z  结构相对复杂,增加了制造成本;
  z  容易被环境(如灰尘等)影响,降低了工作的可靠性;
  z  换向时会产生火花,限制了使用范围;
  z  容易损坏,增加了维护成本等。
  2.  无刷直流电机
  无刷直流电机(Brushless Direct Current Motor, BLDCM)的诞生,克服了有刷直流电机的先天性缺陷,以电子换向器取代了机械换向器,所以无刷直流电机既具有直流电机良好的调速性能等特点,又具有交流电机结构简单、无换向火花、运行可靠和易于维护等优点。
  图 1.3 所示无刷直流电机模型,它是从图 1.2转化过来的模型。它主要由用永磁材料制造的转子、带有线圈绕组的定子和位置传感器(可有可无)组成。可见,它和直流电机有着很多共同点,定子和转子的结构差不多(原来的定子变为转子,转子变为定子) ,绕组的连线也基本相同。但是,结构上它们有一个明显的区别:无刷直流电机没有直流电机中的换向器和电刷,取而代之的是位置传感器。这样,电机结构就相对简单,降低了电机的制造和维护成本,但无刷直流电机不能自动换向 (相) , 牺牲的代价是电机控制器成本的提高 (如同样是三相直流电机,有刷直流电机的驱动桥需要 4 只功率管,而无刷直流电机的驱动桥则需要 6 只功率管) 。
  图 1.3 所示为其中一种小功率三相、星形连接、单副磁对极的无刷直流电机,它的定子在内,转子在外,结构和图 1.2 所示的直流电机很相似。另一种无刷直流电机的结构和这种刚刚相反,它的定子在外,转子在内,即定子是线圈绕组组成的机座,而转子用永磁材料制造。

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  无刷直流电机有以下的特点:
  z  无刷直流电机的外特性好,能够在低速下输出大转矩,使得它可以提供大的起动转矩;
  z  无刷直流电机的速度范围宽,任何速度下都可以全功率运行;
  z  无刷直流电机的效率高、过载能力强,使得它在拖动系统中有出色的表现;
  z  无刷直流电机的再生制动效果好,由于它的转子是永磁材料,制动时电机可以进入发
  电机状态;
  z  无刷直流电机的体积小,功率密度高;
  z  无刷直流电机无机械换向器,采用全封闭式结构,可以防止尘土进入电机内部,可靠
  性高;
  z  无刷直流电机比异步电机的驱动控制简单。
  1.2.2  无刷直流电机的工作原理
  无刷直流电机的定子是线圈绕组电枢,转子是永磁体。如果只给电机通以固定的直流电流,则电机只能产生不变的磁场,电机不能转动起来,只有实时检测电机转子的位置,再根据转子的位置给电机的不同相通以对应的电流,使定子产生方向均匀变化的旋转磁场,电机才可以跟着磁场转动起来。
  如图 1.4 所示为无刷直流电机的转动原理示意图,为了方便描述,电机定子的线圈中心抽头接电机电源 POWER,各相的端点接功率管,位置传感器导通时使功率管的 G极接 12V,功率管导通,对应的相线圈被通电。由于三个位置传感器随着转子的转动,会依次导通,使得对应的相线圈也依次通电,从而定子产生的磁场方向也不断地变化,电机转子也跟着转动起来,这就是无刷直流电机的基本转动原理——检测转子的位置,依次给各相通电,使定子产生的磁场的方向连续均匀地变化。

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  在下文介绍无刷直流电机的有位置传感器驱动的一节,将会进一步介绍无刷直流电机的转动原理。
  为了方便理解,本文档以下内容统一用如图 1.5 所示的这两种符号作为模型简介,图 A为电机转子和定子在同一圆心上,图B 为不同一圆心上,是为了方便说明电机内部磁场。详细请看下文。

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  1.3  无刷直流电机的驱动方法
  无刷直机电机的驱动方式按不同类别可分多种驱动方式,它们各有特点。
  按驱动波形:
  z  方波驱动,这种驱动方式实现方便,易于实现电机无位置传感器控制;
  z  正弦驱动,这种驱动方式可以改善电机运行效果,使输出力矩均匀,但实现过程相对复杂。同时,这种方法又有 SPWM 和 SVPWM(空间矢量 PWM)两种方式,SVPWM的效果好于 SPWM。

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