無刷直流電機(jī)（BLDC）詳解

直流電機(jī)主要有直流有刷電機(jī)和無刷直流電機(jī)兩種。

1. 有刷直流電機(jī)

直流電機(jī)以良好的啟動性能、調(diào)速性能等優(yōu)點著稱，其中屬于直流電機(jī)一類的有刷直流電機(jī)采用機(jī)械換向器，使得驅(qū)動方法簡單，其模型示意圖如圖 1.2 所示。

電機(jī)主要由永磁材料制造的定子、繞有線圈繞組的轉(zhuǎn)子(電樞) 、換向器和電刷等構(gòu)成。只要在電刷的A和B兩端通入一定的直流電流， 電機(jī)的換向器就會自動改變電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁場方向，這樣，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子就會持續(xù)運轉(zhuǎn)下去。

由些可見，換向器和電刷在直流電機(jī)中扮演著重要的角色，雖然它可以簡化電機(jī)控制器的結(jié)構(gòu)，但是，它自身卻存在一定的缺點：

z 結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，增加了制造成本;

z 容易被環(huán)境(如灰塵等)影響，降低了工作的可靠性;

z 換向時會產(chǎn)生火花，限制了使用范圍;

z 容易損壞，增加了維護(hù)成本等。

2. 無刷直流電機(jī)

無刷直流電機(jī)(Brushless Direct Current Motor, BLDCM)的誕生，克服了有刷直流電機(jī)的先天性缺陷，以電子換向器取代了機(jī)械換向器，所以無刷直流電機(jī)既具有直流電機(jī)良好的調(diào)速性能等特點，又具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、無換向火花、運行可靠和易于維護(hù)等優(yōu)點。

圖 1.3 所示無刷直流電機(jī)模型，它是從圖 1.2轉(zhuǎn)化過來的模型。它主要由用永磁材料制造的轉(zhuǎn)子、帶有線圈繞組的定子和位置傳感器(可有可無)組成?？梢?，它和直流電機(jī)有著很多共同點，定子和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)差不多(原來的定子變?yōu)檗D(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子變?yōu)槎ㄗ? ，繞組的連線也基本相同。但是，結(jié)構(gòu)上它們有一個明顯的區(qū)別：無刷直流電機(jī)沒有直流電機(jī)中的換向器和電刷，取而代之的是位置傳感器。這樣，電機(jī)結(jié)構(gòu)就相對簡單，降低了電機(jī)的制造和維護(hù)成本，但無刷直流電機(jī)不能自動換向 (相) ， 犧牲的代價是電機(jī)控制器成本的提高 (如同樣是三相直流電機(jī)，有刷直流電機(jī)的驅(qū)動橋需要 4 只功率管，而無刷直流電機(jī)的驅(qū)動橋則需要 6 只功率管) 。

圖 1.3 所示為其中一種小功率三相、星形連接、單副磁對極的無刷直流電機(jī)，它的定子在內(nèi)，轉(zhuǎn)子在外，結(jié)構(gòu)和圖 1.2 所示的直流電機(jī)很相似。另一種無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和這種剛剛相反，它的定子在外，轉(zhuǎn)子在內(nèi)，即定子是線圈繞組組成的機(jī)座，而轉(zhuǎn)子用永磁材料制造。

無刷直流電機(jī)有以下的特點：

z 無刷直流電機(jī)的外特性好，能夠在低速下輸出大轉(zhuǎn)矩，使得它可以提供大的起動轉(zhuǎn)矩;

z 無刷直流電機(jī)的速度范圍寬，任何速度下都可以全功率運行;

z 無刷直流電機(jī)的效率高、過載能力強(qiáng)，使得它在拖動系統(tǒng)中有出色的表現(xiàn);

z 無刷直流電機(jī)的再生制動效果好，由于它的轉(zhuǎn)子是永磁材料，制動時電機(jī)可以進(jìn)入發(fā)

電機(jī)狀態(tài);

z 無刷直流電機(jī)的體積小，功率密度高;

z 無刷直流電機(jī)無機(jī)械換向器，采用全封閉式結(jié)構(gòu)，可以防止塵土進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，可靠

性高;

z 無刷直流電機(jī)比異步電機(jī)的驅(qū)動控制簡單。

1.2.2 無刷直流電機(jī)的工作原理

無刷直流電機(jī)的定子是線圈繞組電樞，轉(zhuǎn)子是永磁體。如果只給電機(jī)通以固定的直流電流，則電機(jī)只能產(chǎn)生不變的磁場，電機(jī)不能轉(zhuǎn)動起來，只有實時檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，再根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置給電機(jī)的不同相通以對應(yīng)的電流，使定子產(chǎn)生方向均勻變化的旋轉(zhuǎn)磁場，電機(jī)才可以跟著磁場轉(zhuǎn)動起來。

如圖 1.4 所示為無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動原理示意圖，為了方便描述，電機(jī)定子的線圈中心抽頭接電機(jī)電源 POWER，各相的端點接功率管，位置傳感器導(dǎo)通時使功率管的 G極接 12V，功率管導(dǎo)通，對應(yīng)的相線圈被通電。由于三個位置傳感器隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，會依次導(dǎo)通，使得對應(yīng)的相線圈也依次通電，從而定子產(chǎn)生的磁場方向也不斷地變化，電機(jī)轉(zhuǎn)子也跟著轉(zhuǎn)動起來，這就是無刷直流電機(jī)的基本轉(zhuǎn)動原理——檢測轉(zhuǎn)子的位置，依次給各相通電，使定子產(chǎn)生的磁場的方向連續(xù)均勻地變化。

在下文介紹無刷直流電機(jī)的有位置傳感器驅(qū)動的一節(jié)，將會進(jìn)一步介紹無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動原理。

為了方便理解，本文檔以下內(nèi)容統(tǒng)一用如圖 1.5 所示的這兩種符號作為模型簡介，圖 A為電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子在同一圓心上，圖B 為不同一圓心上，是為了方便說明電機(jī)內(nèi)部磁場。詳細(xì)請看下文。

1.3 無刷直流電機(jī)的驅(qū)動方法

無刷直機(jī)電機(jī)的驅(qū)動方式按不同類別可分多種驅(qū)動方式，它們各有特點。

按驅(qū)動波形：

z 方波驅(qū)動，這種驅(qū)動方式實現(xiàn)方便，易于實現(xiàn)電機(jī)無位置傳感器控制;

z 正弦驅(qū)動，這種驅(qū)動方式可以改善電機(jī)運行效果，使輸出力矩均勻，但實現(xiàn)過程相對復(fù)雜。同時，這種方法又有 SPWM 和 SVPWM(空間矢量 PWM)兩種方式，SVPWM的效果好于 SPWM。