直流無刷電機原理及其數字化控制發展方向

詹瑜坤 華僑大學信息學院 361021

直流無刷電機原理及其數字化控制發展方向

詹瑜坤 華僑大學信息學院 361021

引言

無刷直流電機是最近發展起來的融合了多學科技術的一種新型電機，具有高速度、高效率、高動態響應、高熱容量和高可靠性等優點，同時還具有低噪聲和長壽命以及低成本等特點。近年來，隨著新材料技術的進步，無刷直流電機得到了迅速的發展，其功率覆蓋等級也越來越大。目前無刷電機已廣泛應用于各種領域，如醫療儀器、分析儀器、材料處理、過程控制、機床工業、紡織工業和輕工機械等。小功率無刷直流電機主要應用于工廠自動化和辦公自動化方面，如計算機外設、復印機和家用電器中，它正在迅速取代傳統的直流電機和異步電機。

1. 直流無刷電機的結構和工作原理

直流無刷電機與傳統的直流電機相比，從結構上看主要區別在于:用裝有永磁體的轉子取代有刷直流電機的定子磁極;用具有多相繞組的定子取代電樞;用由固態逆變器和軸位置檢測器組成的電子換向器取代機械換向器和電刷。因此，直流無刷電機一般由永磁電機本體、逆變器和轉子位置傳感器組成，組成框圖如圖1所示。

圖1. 直流無刷電機的組成框圖

1.1 電動機本體

電動機本體通常由永磁同步電機構成。其轉子采用永久磁鐵勵磁。由于轉子磁場的幾何形狀不同，使得轉子磁場在空間的分布為正弦波和梯形波兩種。對于正弦波直流無刷電機，希望在繞組中獲得正弦波形式的反電勢，其繞組形式采用短距、分布或分數形式，以盡可能削弱其它次諧波，從而保留基波。而方波直流無刷電機為了獲得頂寬為120度的方波或梯形波，定子繞組采用整距、集中的形式，以保留磁密中的其它諧波。

電動機本體首先必須滿足電磁方面的要求，保證在工作氣隙中產生足夠的磁通，電樞繞組允許通過一定的電流，以便產生一定的電磁轉矩;其次要滿足機械方面的要求，保證機械機構牢固和穩定，能傳送一定的轉矩，并能經受住一定環境條件的考驗。

1.2 逆變器

逆變器的作用是將位置傳感器檢測到的轉子位置信號進行處理，按一定的邏輯代碼輸出，去觸發末級功率開關管。與一般逆變器不同，它的輸出頻率不是獨立調節的，而受控于轉子位置檢測信號，是一個“自控式逆變器”。直流無刷電機由于采用了自控式逆變器，電機輸入電流的頻率和電機轉速始終保持同步，電機和逆變器輸出之間不會產生振蕩和失步。這也是直流無刷電機的重要優點之一。

1.3 轉子位置傳感器

位置傳感器在直流無刷電機中起著測定轉子磁極位置的作用，為逆變器提供正確的換相信息。位置傳感器與電機同軸安裝，由于逆變器的導通次序是與轉子轉角同步的，因而與逆變器一起，起著與直流有刷電機的機械換相相類似的作用。位置傳感器種類較多，特點各異。目前，直流無刷電機系統的位置傳感器多為電磁式、光電式和磁敏式。

2. 直流無刷電機的控制

直流無刷電機的運行原理和有刷直流電機基本相同，但是它用轉子位置傳感器代替電刷，依靠轉子位置傳感器檢測出轉子的位置信號，通過換相驅動電路驅動與電樞繞組連接的各功率開關管的導通與關斷，達到換相的目的，使電機運轉起來。直流無刷電機三相繞組主回路基本類型有三相半控和三相全控兩種。

這里以丫聯結三相全控橋兩兩通電方式為例進行介紹，電路如圖2所示。所謂兩兩導通方式是指每一個瞬間有兩個功率管導通，每隔1/6周期(60“電角度)換相一次，每次換相一個功率管，每一功率管導通120“電角度。各功率管的導通順序V1V2－V2V3－V3V4－V4V5－V5V6－V6V1－V1V2,當功率管V1V2導通時，電流從V1管流入A相繞組，再從C相繞組流出，經V2管回到電源。

圖3所示的是相電流與感應電動勢的波形，各相電流每次導通時間均為120度。

圖2 三相全控橋兩兩通電電路

3. 直流無刷電機的數字化控制發展方向

永磁無刷直流電動機性能的改善和提高，除了與電動機本體及電子驅動電路有關外，更與其控制器密切相關。自20世紀80年代以來隨著微型計算機技術、控制技術、控制理論等的飛速發展，人們從提高控制器性能這條途徑來提高永磁無刷直流電動機的性能，并取得了一些可喜的成果。特別是進入90年代以后，高速微處理器和DSP器件的出現，保證了無刷直流電動機性能的快速提高。此外先進的控制方法例如滑模控制、變結構控制、模糊控制和專家控制等被相繼引入無刷電機控制器，從而推動著永磁無刷直流電動機朝著高智能化、柔性化、全數字化方向發展，為其進入數字化時代開辟了新紀元。

無刷直流電機運行過程要進行兩種控制，一種是轉速控制，也即控制提供給定子線圈的電流;另一種是換相控制，在轉子到達指定位置改變定子導通相，實現定子磁場改變，這種控制實際上實現了物理電刷的機制。因此這種電機需要有位置反饋機制，比如霍爾元件、光電碼盤，或者利用梯形反電動勢特點進行反電動勢過零檢測等。利用霍爾元件的系統在軟件實現上更方便。電機速度控制也是根據位置反饋信號，計算出轉子速度，再利用PI或PID等控制方法，實時調整PWM(脈寬調制)占空比等來實現定子電流調節。因此，控制芯片要進行較多的計算過程。當然也有專門的無刷直流電機控制芯片;但一般來說，在大多數應用中，除了電機控制，總還需要做一些其他的控制和通信等事情。所以，選用帶PWM，同時又有較強數學運算功能的芯片也是一種很好的選擇。因為DSP具有較強的計算能力和較好的實時性，使得算法復雜的現代控制理論能夠在實際中得到很好的應用，特別是實時性要求很高的系統，也可以通過DSP實現復雜的智能控制算法。TI公司的定點數字信號處理器TMS320LF2407系列，整合了通用數字信號處理器快速運算功能和單片機外圍豐富的特點，特別適合直流無刷電機的高性能控制。

經過近20年的發展，DSP的性能大大提高的同時，它的成本也大大降低，芯片的價格降低到3美元，使得DSP產品的應用己擴大到人們的學習、工作和生活的各個方面。

DSP技術的提高和CPU相似，已經成為決定電子產品更新換代的決定因素。用DSP進行電力傳動系統的設計，是未來電力傳動系統實現數字化、智能化的發展方向。

圖3 電流與感應電動勢的波形

[1]張琛.直流無刷電動機原理及應用[M].機械工業出版社. 2004

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Principle of BLDC Motor and Digital Control

Zhan Yukun College of Information Science and Engineering Huaqiao University Xiamen 361021 Fujian China

永磁直流無刷電機具有體積小、重量輕、高效低噪、單機容量大且可靠性高的特點，目前無刷電機已廣泛應用于各種領域。隨著微型計算機技術、控制技術、控制理論等的飛速發展，人們從提高控制器性能這條途徑來提高永磁無刷直流電動機的性能。

直流無刷電機 ；DSP(Digital Signal Processor)；數字化控制

BLDC is used widely for its features of small size，low weight ,high efficiency and running reliably. With the development of control technology ,the performance of BLDC is improved greatly by means of DSP controller.

BLDC;DSP;digital control

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.22.069

詹瑜坤（1974—），女。華僑大學信息學院，實驗師。