无刷直流电机的工作原理

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。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（BrushlessDirectCurrentMotor,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。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。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。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。