无刷直流电机基础

1、无刷直流电机基础引言无刷直流电机应用及其广泛，它可在家电、汽车、航空、医疗、工业自动化设备和仪器等各 种各样的行业中使用。从它的名称我们可以看出， 无刷直流电机是不用电刷进行换向， 而是采用电子器件进行换向 的。与有刷直流电机和异步电机相比，无刷直流电机有很多优点，具体表现如下：1、更好的转矩、转速特性2、快速的动态响应3、高效率4 、 寿命长5、 工作无噪声6、 较高的转速范围本文将重点讨论无刷直流电机的结构、工作原理、特性和它的主要应用。附录B是关于无刷直流电机的常用专业术语。无刷直流电机结构和工作原理无刷直流电机是同步电机的一种。也就是说定子产生的磁场与转子产生的磁场具有相同的 频率。无

2、刷直流电机的结构有单相、两相和三相。无论哪种结构它的定子绕组数目和其类型相 对应。三相无刷直流电机是应用最广泛和最普遍的，本文重点讨论三相无刷直流电机。定子无刷直流电机的定子是由定子冲片（钢片叠加而成）和放置在各个槽中的绕组组成（如图3 所示）。一般无刷直流电机的定子结构和同功率的异步电机是相同的，不同只是它绕组的分布 方式。大部分无刷直流电机的三相绕组是绕成星型的。每相绕组都是由若干个线圈组成的。每 极下的绕组数目都是均等的。 无刷直流电机根据其定子绕组驱动电流的不同分为梯形和正弦波 电机。不通的连接方式会产生不同类型的反电动势 ，具体参考“反电动势的定义”章节。从图1 和图 2 中我们可以

3、看出梯形波电机的反电动势是梯形的，正弦波电机的反电动势是正弦的。 同样，它们的相电流也是梯形和正弦的。但是正弦波电机的输出转矩比梯形波电机的输出转矩 更加平滑。根据电机的额定功率，应该选择合适的输入电压。汽车、机器人等产品中电机的电压是48V甚至低于48V,而在自动化器械、家用电器等工业应用中电机的电压为大于等于100V。图3 无刷直流电机的定子图 1 梯形波反电动势图 2 正弦波反电动势转子转子是由永磁体组成的， 磁钢的磁极N和S是交替放置的。根据所需要的磁场密度选择合适 的永磁体。铁氧体是很常用的永磁体，随着的科技的不断进步，稀土永磁体应用越来越广泛。 铁氧体永磁材料和稀土永磁体相比，它的

4、价格比较低廉，但是磁通密度低，而稀土永磁体价格 高，但是它得最大磁能积大，剩磁高，矫顽力搞。在同样尺寸下，稀土永磁体比铁氧体得到更a、表面式转子结构霍尔传感器 与有刷直流电机不同，4 是几种不同的转子磁极结c、实心转子结构无刷直流电机在运行时， 必高的转矩。衫钴永磁体和钕铁硼永磁体是稀土永磁体中的代表。图 构。b、内置式转子结构无刷直流电机的换向是可以电子控制的。须按一定顺序给定子绕组通电。 我们如果知道转子的位置就可以在定子绕组上加相应的的信号。转子位置我们可以通过霍尔传感器来确定。大部分无刷直流电机中嵌有3 个霍尔传感器。当转子永磁体磁极经过霍尔传感器时，传感器就会给出一个高电平或者低电平

5、，表明N 极或S极经过。根据霍尔传感器得到的信号我们可以准确的确定电机的换向。图5 无刷直流电机的横截面图 5 是一个无刷直流电机的横截面，从图中可以看出霍尔传感器被固定在电机上。将霍尔 传感器嵌入定子的过程很复杂，因为这些霍尔传感器相对转子磁极的位置稍有不对齐，都会在 判断转子位置时造成错误。为了简化在定子上安装霍尔传感器的过程，有些电机可能除了主转 子磁体外，还在转子上安装霍尔传感器磁体，它们的体积比转子磁体小。每当转子转动时，霍 尔传感器就会产生和主磁体一样的效果。霍尔传感器磁体通常装在PCB电路板上，固定在非驱动装的外壳盖上，这使得用户可以整体调整所有的霍尔传感器，以便与转子磁体对齐，

6、从而获 得最佳性能。根据霍尔传感器的位置， 由两种输出。 霍尔传感器输出信号之间的相移可以是600或者 1200的电角度。电机制造商据此定义控制电机是应遵循的换向顺序。工作原理每次换向时， 首先一相绕组接电源的正极， 另一相绕组接负极， 第三相绕组处于失电状态。 电机的电磁转矩由定子的合成磁动势和转子永磁磁场相互作用产生的。理论上来说，当定子的 合成磁动势与转子永磁磁场在空间上相位相差900 时电磁转矩就达到其峰值。而在两磁场平行时最弱。为了保证电机转动，由定子绕组产生的磁场应不断变换位置，因为转子会向着与定子 磁场平行的方向旋转。转矩/ 转速特性图 6 是一个电机的转矩 /转速特性图，无刷直

7、流电机有两个转矩参数需要确定:转矩峰值(Tp)和额定转矩(Tr)。在连续运行中，负载会增加直到达到电机额定转矩。在无刷直流电机 中，转矩在转速达到额定值之前保持不变。电机的最大转速可以达到150%额定转速，但是此时转矩将降低。对于频繁启东、停止和反转的电机，所需的转矩大于其额定转矩。需要大转矩的 时间通常很短，尤其是在电机从静止状态起动以及加速时。在此期间，需要额外的转矩来克服 负载和电机本身的惯性。图6转矩/转速特性无刷直流电机与其他电机的对比与有刷直流电机和异步电机相比，无刷直流电机有很多有点，也有一些缺点。相同机座下,无刷直流电机的输出功率比有刷直流电机和异步电机大，它的使用寿命也较长。

8、由于其转子上 有永磁体，这样与其他电机相比它的转动惯量就要小点，这样就改进了电机加速与减速的特性，缩短了工作周期。由于没有电刷装置，空间相对变大，这就降低了维护难度。由于去除了电磁 干扰，工作噪声明显低于有刷直流电机。表1将无刷直流电机和有刷直流电机进行了对比，表2是无刷直流电机和异步电机之间的对比。表1无刷直流电机和有刷直流电机的对比无刷直流电机有刷直流电机换向使用霍尔传感器电机换向电刷换向维护无电刷维护少定期维护寿命较长较短转速/转矩特性额定负载在任何转速下工作特性都很平滑在高速时，电刷摩擦增加，有效转矩下降输岀功率输岀功率高，由于定子有绕组散热性能好输岀功率低，工作时温度高转动惯量由于转

9、子上的永磁体，动态响应快，转动惯量低受动态响应的影响，转动惯量大调速范围宽窄工作噪声噪声低电刷产生的电磁干扰，噪声大成本由于使用永磁体，成本高低控制复杂简单控制设备一个驱动控制器，一个调速控制器一个调速控制器表2无刷直流电机和异步电机的对比特征无刷直流电机异步电机转速/转矩特性额定负载在任何转速下工作特性都很平滑非线性，低速时转矩较小输岀功率输岀功率高，由于定子有绕组散热由于定、转子都有绕组，输岀功率性能好低于无刷直流电机转动惯量动态响应快，转动惯量低动态响应差，转动惯量高起动电流额定，不需要专门的起动电路起动电流大概是额定值的 7倍，一般需要星-角起动器控制设备一个驱动控制器，一个调速控制器

10、一个调速控制器转差同步，无转差有一定转差换向顺序图7表示霍尔传感器信号相对反电动势和相电流变化的示例。图8展示了按照霍尔传感器信号应遵循的切换顺序。图7中的时序与图8是对应的。每旋转变化60电角度，其中一个霍尔传感器就改变一次工作状态。每个周期变化6次。每转过60个电角度相电流变化一次。图9是无刷直流电机控制器的原理图。PIC18FXX31单片机控制功率开关管 Qo到Q5。这些功率开关管可以是MOSFEFS管、IGBT或者是简单的双极性晶体管。表3和表4是这些功率开关管在 A、B、C三相下导通的顺序表。表 3是电机正转下的导通，表 4是电机反转下的导通。从图 9中可 以看出，如果标有PWMx的

11、信号根据该顺序在导通和关断之间切换，则电机将以额定转速运行。电机在运转过程中，定子通入电流，永磁体转子励磁，两个磁场在空间的作用产生合成磁势， 推动转子向前运转。要让电机转起来，必须按照一定的顺序给电机三相绕组通电。连接到图9中模数转换器通道的电位器用于设置转速基准电压。根据输入电压，我们可以计算出PWM勺占空比。闭环控制可通过测量电机的实际转速来对转速进行闭环控制。首先计算设定转速和实际转速间的误 差。可以用PID控制器放大转速误差，动态调整PWM勺占空比。对于低成本、低分辨率的转速要求，可用霍尔信号测量转速反馈。 可以用PIC18FXX31单片机中定时器计算霍尔信号两个边沿 间的时间，并用

12、该时间计算电机的实际转速。对于高分辨率转速测量， 可在电机上安装光电式编码器，它能给出具有90度相位差的两个信号。用这些信号可以判定转速和转向。图7霍尔传感器信号、反电动势、输出转矩、相电流与时序的对应关系图8绕组与所加霍尔信号的关系图9控制原理图反电动势的定义当一无刷直流电机旋转时，每个绕组都会产生一个反电动势，反电动势的极性是电压的方向相反，反电动势主要依靠三个因素：1、转子角速度；2、永磁体产生的磁场；3、定子绕组的 匝数。当电机设计完成后，转子磁场和定子绕组匝数是一个常数，则只有转子角速度或者转子速 度影响反电动势的大小， 即当速度增加时，反电动势随之增加，电机技术规范给出一个参数 “

13、反 电动势系数”，这个系数可以根据一个给定转速估计反电动势。绕组上的电势差=激励电压-反电动势的值，设计电机时，反电动势系数是在电机以额定转 速运行时得到。电势差足够使得电机产生一个额定电流和额定转矩。假如电机产生一个大于额 定电流的电流，反电动势将大大增加，因而减少了绕组上的电势差，即减少了电流，从而导致 电磁转矩的下降，当激励电压等于总的反电动势电压和在电机中的损耗电势，可得到转速曲线 上的理想空载点，此时电流和转矩均等于零。无刷直流电机的无位置控制目前，电机的换向位置由霍尔传感器得到转子位置决定。无刷直流电机换向通过观测反电 动势信号而不采用霍尔传感器。霍尔传感器与反电动势之间的关系，通

14、过观测相电压得到，如 图7.由前面内容可知，每个换向顺序有一个线圈是正电压极性，一个是负极性，另外一个是孔。由图7可知，当反电动势的极性由正变为负时，霍尔传感器的信号状态改变。在理想情况下， 这发生在反电动势过零点，但实际上，由于绕组特性，有一个延迟。图10是无位置传感器无刷直流电机控制的原理图。图10无位置传感器无刷直流电机控制的原理图。另一个方面是低速必须要考虑。因为反电动势正比于转速，低速时，反电动势的幅值很小，很难观测过零点。电动机开环起动至建立足够大的反电动势来观测过零点。最低转速是由能被 检测的电动势和电机的反电动势系数计算得到。采用这种方法，霍尔传感器不再采用，简化电 机结构，同

15、时减少了电机的成本。如果电机运行在粉尘或油的环境中，不常清理的地方需要正 确的霍尔信号，以及电机带动一个易受干扰的负载，在这些场合均适用无刷直流电机位置控制。电机的选择正确的选择合适的电机十分重要。根据负载特性，准确的选择电机。可以根据三个参数来 选择：1、所需的最大转矩；2、均方根转矩；3、运行的速度范围峰值转矩（Tp）最大转矩Tp可以由负载转矩 Tl、惯性转矩Tj和摩擦转矩Tf得到。也有其他因素影响峰值转 矩，例如空气阻力损耗，但是这些计算很复杂，我们凭经验，大致给20%勺余量，如下方程：- 一 -，而惯量转矩方程为:T"工站"匚，其中是负载和转子惯量的总和，是所需加速

16、度。均方根转矩（Trm）均方根转矩可粗略地理解为该应用所需的平均连续转矩。这取决于许多因素。峰值转矩、 负载转矩、惯性转矩、摩擦转矩和加速、减速及起动次数。以下公式给出了典型应用所需的RMS专矩，其中是Ta加速时间，Tr是起动时间，而 Td是减速时间 ,转速范围 这里讨论的转速指的是驱动应用所需的电机转速，由应用的类型决定。例如，像吹风机之 类的应用，转速变化不太频繁，吹风机的最高转速可以是所需电机转速的平均值。较高的工作 转速是梯形转速曲线的组成部分，使得电机的平均转速等于系统的移动速度。梯形曲线如图11所示。图 11 梯形转速曲线典型的BLDC电机应用BLDC电机可以应用于市场中的各个领域

17、。汽车、家电、工业控制、自动化、航空等等都可以使用BLDC电机。从中我们可以把 BLDC电机控制的类型分为三个主要类别：1、恒定负载，2、变化负载， 3 定位应用。恒定负载应用 这类应用中，转速的变化比保持设定转速的精度更重要。此外，加速度和减速度不会动态 变化。在这类应用中，负载直接连接到电机轴。这类应用需要低成本控制器，多数运行在开环 状态。变化负载应用 这类应用中，当电机转速在一定范围内，负载会发生变化。这类应用可能需要高速控制精 度和良好的动态响应。家用电器中的洗衣机、干洗机和压缩机就是很好的例子。这些应用可能 使用转速反馈设备，并运行在半闭环或全闭环状态。这些应用使用高级控制算法，从而增加了 控制器的复杂性，同时成本提高。定位应用多数工业和自动化应用都可以归于这类。此类应用具有某种传动机制。在这些应用中，转 速和转矩的动态响应很重要。同时，这些应用可能需要频繁切换转向。典型的转换切换过程