CW32電機(jī)控制基礎(chǔ)--無刷直流電機(jī)概述

無刷直流電機(jī)不使用機(jī)械結(jié)構(gòu)的換向電刷而直接使用電子換向器，在使用中有許多優(yōu)點，比如：能獲得更好的扭矩轉(zhuǎn)速特性、高速動態(tài)響應(yīng)、高效率、長壽命、低噪聲、高轉(zhuǎn)速、無換向火花、運行可靠、易于維護(hù)等等。無刷直流電機(jī)被廣泛的用于日常生活用具、汽車工業(yè)、航空、消費電子、醫(yī)學(xué)電子、工業(yè)自動化等裝置和儀表。

本文首先簡單介紹常用電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點，之后重點對無刷直流電機(jī)的工作原理、數(shù)學(xué)模型、運行特性等進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

常用電機(jī)分類及結(jié)構(gòu)特點

電機(jī)是一種利用電磁感應(yīng)定律和電磁力定律，將能量或信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換或變換的電磁機(jī)械裝置。電機(jī)在國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域起著重要作用。在電力工業(yè)中，產(chǎn)生電能的發(fā)電機(jī)和對電能進(jìn)行變換、傳輸與分配的變壓器是電站和變電所的主要設(shè)備。在工業(yè)企業(yè)中，人們利用電動機(jī)把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能去拖動各種生產(chǎn)機(jī)械，從而滿足生產(chǎn)工藝過程的要求。在交通運輸業(yè)中，需要大量的牽引電動機(jī)。在電力排灌、播種、收割等農(nóng)用機(jī)械中，都需要規(guī)格不同的電動機(jī)。在品種繁多的家用電器中，也離不開功能各異的小功率電動機(jī)。

所以電動機(jī)是一種將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置，在各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。電動機(jī)有多種不同的類型，常見分類如表1所示。

表1 常用電機(jī)分類

1.1?異步電動機(jī)

異步電動機(jī)是一種交流電機(jī)，主要作為電動機(jī)使用。異步電機(jī)可以是三相的，也可以是單相的。三相異步電機(jī)主要用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，單相異步電動則廣泛用于各種民用電器和電動工具。

這里以三相交流異步電動機(jī)為例講解異步電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。三相異步電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)主要由兩部分組成：靜止的定子和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子。定子與轉(zhuǎn)子之間，留有相對運動所必需的空隙。圖4-1所示的是三相鼠籠式異步電動機(jī)的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖1三相鼠籠式異步電動機(jī)，(a)外形?(b)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

定子由定子鐵芯、定子繞組、機(jī)座及端蓋等組成。在鑄鐵制成的機(jī)座內(nèi)，裝有用硅鋼片疊壓而成的圓筒形鐵芯，鐵芯的內(nèi)圓周上沖有均勻分布的槽，如圖4-2（a）所示；槽內(nèi)用來安放三相對稱繞組，如圖4-2（b）所示，繞組與繞組、繞組與鐵芯之間均具有良好的絕緣。根據(jù)電動機(jī)額定電壓及三相電源電壓的具體情況，三相繞組可以接成星形或三角形。

圖2定子與轉(zhuǎn)子，(a)定子鐵心?(b)定子繞組 ? ?(c)轉(zhuǎn)子外形 ? ??(d)鼠籠繞組　(e)鼠籠

轉(zhuǎn)子的實物圖如圖2（c）所示，由轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成。轉(zhuǎn)子鐵芯的圓形硅鋼片如圖4-2（d）所示，圓形硅鋼片的外圓沖有凹槽，用以放置轉(zhuǎn)子繞組，其中心沖有圓孔，可以使圓形硅鋼片疊壓在轉(zhuǎn)軸上。轉(zhuǎn)子繞組用銅條放在槽內(nèi)，兩端再用兩個銅環(huán)焊接而成，若不看鐵芯，這些銅條及銅環(huán)就如圖2(e)所示，樣子很像一個鼠籠，所以這種電動機(jī)通常又稱為鼠籠式電動機(jī)。對于中、小功率的電動機(jī),一般都采用鑄鋁來代替銅條及銅環(huán)。為了提高轉(zhuǎn)矩，實際轉(zhuǎn)子上的槽不與轉(zhuǎn)軸平行，而是相交一定的角度。

異步電機(jī)運行時，氣隙中的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組之間存在相對運動，依靠電磁感應(yīng)作用使轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電流，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而實現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速之間存在差異，故稱異步電機(jī)。又因轉(zhuǎn)子電流是靠電磁感應(yīng)產(chǎn)生的，因此異步電機(jī)也稱為感應(yīng)電機(jī)。從電磁關(guān)系方面看，異步電機(jī)和變壓器很相似，研究變壓器的許多方法可以用于異步電機(jī)。

異步電機(jī)與其他各種電機(jī)相比，具有結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，價格低兼等優(yōu)點，所以它的用途十分廣泛。在電網(wǎng)的總負(fù)荷中，異步電機(jī)的用量約占60％以上。但是，異步電機(jī)也有一些缺點，主要是：不能經(jīng)濟(jì)地在寬廣的范圍內(nèi)調(diào)速，必須從電網(wǎng)吸取滯后的電流、使電網(wǎng)的功率因數(shù)降低。

1.2 ?直流電動機(jī)

直流電動機(jī)是指能通過直流電流而產(chǎn)生機(jī)械運動的電動機(jī)。

直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式很多，但總體上總不外乎由定子(靜止部分)和轉(zhuǎn)子(運動部分)兩大部分組成。圖3即為普通直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。直流電機(jī)的定子用于安放磁極和電刷，并作為機(jī)械支撐，它包括主磁極、換向極、電刷裝置、機(jī)座等。轉(zhuǎn)子一般稱為電樞，主要包括電樞鐵心、電樞繞組、換向器等。

圖3直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖，1—風(fēng)扇?2—機(jī)座 ? ?3—電樞 ? ?4—主磁極 ? ?5—刷架，6—換向器?7—接線板 ? ?8—出線盒 ? ?9—換向極 ? ?10—端蓋

1．主磁極

主磁極簡稱主極，用于產(chǎn)生氣隙磁場。絕大部分直流電機(jī)的主極都不用永久磁鐵，而是圖4-4所示的結(jié)構(gòu)形式(主極鐵心外套勵磁繞組)，即由勵磁繞組通以直流電流來建立磁場。為降低電機(jī)運行過程中磁場變化可能導(dǎo)致的渦流損耗，主極鐵心一般用?1mm～1.5mm?厚的低碳鋼板沖片疊壓而成。極靴與電樞表面形成的氣隙通常是不均勻的，并有極靴中部圓弧與電樞外圓同心、但兩側(cè)極尖間隙稍大的同心式氣隙，和極靴圓弧半徑大于電樞外圓半徑的偏心式氣隙兩種。由于電機(jī)中磁極的?N?極和?S?極只能成對出現(xiàn)，故主極的極數(shù)一定是偶數(shù)，并且要以交替極性方式沿機(jī)座內(nèi)圓均勻排列。

圖4主磁極

1—主極鐵心 2—極靴 ? ?3—勵磁繞組 ? ?4—繞組絕緣? ?5—機(jī)座?6—螺桿 ? ?7—電樞鐵心 ? ?8—氣隙

2．機(jī)座

機(jī)座的主體是極間磁通路徑的一部分，稱為磁軛。主極、換向器一般都直接固定在磁軛上，如圖5和圖6。機(jī)座一般用鑄鋼或用薄鋼板焊接成圓型，如圖3，亦或多邊形，如圖6，磁軛部分也有采用薄鋼板疊壓方式的。通常，電機(jī)借機(jī)座的底腳部分與基礎(chǔ)固定。

圖5電機(jī)中的主極和換向極，1—主極?2—換向極 ? ?3—磁軛

圖6多邊形機(jī)座示意圖，1—機(jī)座?2—磁軛 ? ?3—主極 ??4—換向極 ? ?5—電樞

3．電樞鐵心

電樞鐵心是用來構(gòu)成磁通路徑并嵌放電樞繞組的。為了減少渦流損耗，電樞鐵心一般用厚0.35mm～0.5mm?的涂有絕緣漆的硅鋼片疊壓而成。嵌放繞組的槽型通常有矩形和梨形兩種，如圖4-7。對于小容量電機(jī)，鐵心疊片(也叫沖片)盡可能采用整形圓片；而大容量電機(jī)則可能要多片拼接，并且還要沿軸向方向分段，段與段之間再設(shè)置徑向通風(fēng)道，以加強(qiáng)冷卻。

需要說明的是，電樞鐵心的軸向通風(fēng)道是鐵心疊片上預(yù)留的通風(fēng)孔疊壓后形成的，如圖7。

圖7?電樞鐵心沖片，(a)矩形槽?(b)梨形槽

4．電樞繞組

電樞繞組是用來感應(yīng)電動勢、通過電流并產(chǎn)生電磁力或電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的核心構(gòu)件。電樞繞組由多個用絕緣導(dǎo)線繞制的線圈連接而成。小型電機(jī)的線圈用圓銅線繞制，較大容量時用矩形截面銅材繞制，如圖4-8，各線圈以一定規(guī)律與換向器焊連。導(dǎo)體與導(dǎo)體之間，線圈與線圈之間以及線圈與鐵心之間都要求可靠絕緣。為防止電機(jī)轉(zhuǎn)動時線圈受離心力作用而甩出，槽口要加槽楔固定。唯一例外的是無槽電機(jī)，此時電樞繞組均勻敷設(shè)在電樞表面，但依然需要牢固綁扎，并且只可能在小容量直流電機(jī)中采用。

圖8電樞繞組在槽中的絕緣情況，1—槽楔?2—線圈絕緣 ? ?3—導(dǎo)體

4—層間絕緣?5—槽絕緣 ? ?6—槽底絕緣

5．換向器

換向器的作用是把電樞繞組內(nèi)的交流電動勢用機(jī)械換接的方法轉(zhuǎn)換為電刷間的直流電動勢。換向器由多片彼此絕緣的換向片構(gòu)成，有多種結(jié)構(gòu)形式，圖9為最常見的一種。

圖9換向器，1—V形套筒?2—云母環(huán) ? ??3—換向片 ? ??4—連接片

6．電刷裝置

電刷的作用之一是把轉(zhuǎn)動的電樞與外電路相連接，使電流經(jīng)電刷進(jìn)入或離開電樞；其二是與換向器配合作用而獲得直流電壓。電刷裝置由電刷、刷握、刷桿和匯流條等零件構(gòu)成。

圖10?是電刷的一種結(jié)構(gòu)形式，圖11是一種電刷裝置。

圖10普通的握刷和電刷，1—銅絲辮?2—壓緊彈簧 ??3—電刷 ? ?4—刷盒

圖11普通的電刷裝置，1—電刷?2—刷握 ? ?3—彈簧壓板 ??4—座圈 ? ?5—刷桿

一臺直流電機(jī)原則上可以作為電動機(jī)運行，也可以作為發(fā)電機(jī)運行。

作為直流電動機(jī)時，加于直流電動機(jī)的直流電源，借助于換向器和電刷的作用，使直流電動機(jī)電樞線圈流過的電流方向是交變的，從而使電樞產(chǎn)生的磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變，確保直流電機(jī)朝確定的方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)，這是直流電動機(jī)的基本工作原理。

作為發(fā)電機(jī)時，同直流電動機(jī)一樣，直流發(fā)電機(jī)電樞線圈中的感應(yīng)電動勢的方向是交變的，而通過換向器和電刷的整流作用，在電刷上輸出的電動勢極性是不變的直流電動勢。在電刷之間接上負(fù)載，發(fā)電機(jī)就能向負(fù)載供給直流電能，這是直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理。

一臺直流電機(jī)作為電動機(jī)運行還是發(fā)電機(jī)運行，取決于外界不同的條件。將直流電源加于電刷，輸入電能，電機(jī)能將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，拖動生產(chǎn)機(jī)械旋轉(zhuǎn)，作電動機(jī)運行；如用原動機(jī)拖動直流電機(jī)的電樞旋轉(zhuǎn)，輸入機(jī)械能，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電能，從電刷上引出直流電動勢，作發(fā)電機(jī)運行。同一臺電機(jī)，既能作電動機(jī)運行，又能作為發(fā)電機(jī)運行的原理，稱為電機(jī)的可逆原理。

直流電動機(jī)具有過載能力強(qiáng)，起動轉(zhuǎn)矩和制動轉(zhuǎn)矩大，易于在較廣范圍實現(xiàn)平滑調(diào)速等優(yōu)點，但因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格高、維修比較困難等，使它的應(yīng)用受到限制。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，配以電力電子裝置的交流電動機(jī)在許多場合已取代了直流電動機(jī)。盡管如此，直流電動機(jī)具有良好的起動性能和寬廣平滑的調(diào)速特性，因而被廣泛應(yīng)用于電力機(jī)車、無軌電車、軋鋼機(jī)、機(jī)床和起動設(shè)備等需要經(jīng)常起動并調(diào)速的電氣傳動裝置中。

1.3 ?步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

步進(jìn)電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子由硅鋼片疊成,有一定數(shù)量的磁極和繞組。轉(zhuǎn)子用硅鋼片疊成或用軟磁性材料做成凸極結(jié)構(gòu)。

如圖12所示為一定子結(jié)構(gòu)圖。圖13為一轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖。

圖12步進(jìn)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)圖

電動機(jī)定子上有6個等分的磁極，相鄰兩個磁極間夾角為60度，相對的兩個磁極組成一相，當(dāng)某一繞組有電流通過，則該繞組的兩個磁術(shù)立即形成N極、S極。每個磁極上各有5個均勻分布的矩形小齒。

圖13步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

轉(zhuǎn)子無繞組，轉(zhuǎn)子上有40個矩形小齒均勻分布在圓周上，當(dāng)定子某相繞組通電時，對應(yīng)的磁極產(chǎn)生磁場，和轉(zhuǎn)子形成磁路。

當(dāng)定子繞組按一定順序輪流通電時，轉(zhuǎn)子就沿一定方向一步步轉(zhuǎn)動。因此步進(jìn)電動機(jī)繞組是按一定通電方式工作的，為實現(xiàn)該種輪流通電，需要將控制脈沖按規(guī)定的通電方式分配到電動機(jī)的每相繞組。

圖14步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)組成圖

圖14為步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)組成圖。其中步進(jìn)控制器把輸入的脈沖轉(zhuǎn)換成環(huán)型脈沖，以控制步進(jìn)電動機(jī)，并能進(jìn)行正反轉(zhuǎn)控制。功率放大器把步進(jìn)電動機(jī)輸出的環(huán)型脈沖放大，以驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)動。

當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（即步進(jìn)角）?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時還可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

很多步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器都支持細(xì)分功能，即實現(xiàn)很小的步進(jìn)角，控制更精確。但是步進(jìn)電機(jī)不適合使用在長時間同方向運轉(zhuǎn)的情況，容易燒壞產(chǎn)品，即使用時通常都是短距離頻繁動作較佳。

步進(jìn)電機(jī)溫度過高會使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此，電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點。一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。

步進(jìn)電機(jī)的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率(或速度)的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。

步進(jìn)電機(jī)低速時可以正常運轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。

1.4 ?無刷直流電機(jī)

無刷直流電機(jī)（Brushless DC Motor，BLDCM）是隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型直流電機(jī)，它是現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備中重要的運動部件。無刷直流電機(jī)以法拉第的電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)，而又以新興的電力電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)和各種物理原理為后盾，具有很強(qiáng)的生命力。

無刷直流電機(jī)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。

1．定子

BLDCM定子是由許多硅鋼片經(jīng)過疊壓和軸向沖壓而成，每個沖槽內(nèi)都有一定的線圈組成了繞組，可以參見圖4-15所示。從傳統(tǒng)意義上講，BLDCM的定子和感應(yīng)電機(jī)的定子有點類似，不過在定子繞組的分布上有一定的差別。大多數(shù)的BLDCM定子有?3?個呈星行排列的繞組，每個繞組又由許多內(nèi)部結(jié)合的鋼片按照一定的方式組成，偶數(shù)個繞組分布在定子的周圍組成了偶數(shù)個磁極。

圖15?BLDCM內(nèi)部結(jié)構(gòu)

BLDCM的定子繞組可以分為梯形和正弦兩種繞組，它們的根本區(qū)別在于由于繞組的不同連接方式使它們產(chǎn)生的反電動勢不同，分別呈現(xiàn)梯形和正弦波形，故用此命名。梯形和正弦繞組產(chǎn)生的反電動勢的波形圖如圖16和圖17所示。

圖16 ?梯形繞組的反電動勢波形

圖17正弦繞組的反電動勢波形

2．轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子是2至8對永磁體按照N極和S極交替排列在轉(zhuǎn)子周圍構(gòu)成的（內(nèi)轉(zhuǎn)子型）。如果是外轉(zhuǎn)子型BLDC，那么就是貼在轉(zhuǎn)子內(nèi)壁。轉(zhuǎn)子磁極排布如圖18所示。

圖18轉(zhuǎn)子磁極排布

可見，無刷直流電機(jī)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樱@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）。

無刷直流電機(jī)最大特點是沒有換向器和電刷組成的機(jī)械接觸機(jī)構(gòu)。因此，無刷直流電機(jī)沒有換向火花，壽命長，運行可靠，維護(hù)簡便。此外，其轉(zhuǎn)速不受機(jī)械換向的限制，如采用磁懸浮軸承或空氣軸承等，可實現(xiàn)每分鐘幾萬到幾十萬轉(zhuǎn)的超高轉(zhuǎn)速運行。

無刷直流電機(jī)具有以下的優(yōu)點：

1. 1. 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；
   2. 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；
   3. 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)；
   4. 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)；
   5. 無刷直流電機(jī)的體積小，功率密度高；
   6. 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；
   7. 無刷直流電機(jī)比異步電機(jī)的驅(qū)動控制簡單。

由于無刷直流電機(jī)具有上述一系列優(yōu)點，因此，它的用途比有刷直流電機(jī)更加廣泛，尤其適用于航空航天、電子設(shè)備、采礦、化工等特殊工業(yè)部門。

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