?2009Hogan&HartsonLLP.Allrightsreserved.December.2014無刷直流電機的原理和應用

TheprincipleandapplicationofBrushlessDCMotor2目錄發展歷程無刷直流電機的優勢應用領域基本原理控制技術3發展歷程初衷：克服機械換相帶來的缺點，以電子換相取代機械換相發展過程：1955年美國D．Harrison等人首次申請了用晶體管換相電路代替機械電刷的專利，標志著現代無刷電動機的誕生；而電子換相的無刷直流電動機真正進入實用階段，1978年德國推出MAC無刷直流電動機及其驅動器的推出，標志著走入實用化階段；之后，國際上對無刷直流電動機進行了深入的研究，先后研制成方波無刷電機和正弦波直流無刷電機發展方向：控制更精密；功率更大；無位置傳感器；降低轉矩波動；4無刷電機優點（一）有刷電機采用機械換向，壽命短﹑噪聲大﹑產生電火花，效率低。它長期使用碳刷磨損嚴重，較易損壞。同時磨損產生了大量的碳粉塵，這些粉塵落軸承中，使軸承油加速干涸，電機噪聲進一步增大。有刷電機連續使用一定時間就需更換電機內碳刷。無刷電機以電子換向取代機械換向，無機械摩擦，無磨損，無電火花，免維護且能做到更加密封等特點所以技術上要優于有刷電機。無刷直流電動機的永磁體，現在多采用高磁能積的稀土釹鐵硼材料。因此，稀土永磁無刷電動機的體積比同容量三相異步電動機縮小了一個機座號。5無刷電機優點（二）無刷直流電機的高效率，高效區域大，功率和轉矩密度高，功率因數（COSΦ）接近1，系統效率＞90%,永磁無刷直流電機在任何情況下轉子都是同步運行，交流變頻電機是變頻調速，無刷直流電機是調速變頻，電機在同步轉速下運行，轉子既無銅耗又無鐵耗。無刷直流電機具有低電壓特性好，轉矩過載特性強，啟動轉矩大（堵轉特性），啟動電流小等優點。寬調速﹑小體積﹑高效率和穩態轉速誤差小，自控式運行的，可以重載啟動，在負載突變時不會產生振蕩和失步6應用領域汽車：空調；油泵電機；電動汽車驅動電機；電動自行車；摩托車起動電機等家用電器：變頻空調；變頻冰箱；變頻洗衣機；吸塵器；攪拌機等；工業自動化設備：縫紉機；高檔數控加工設備、工業智能機器人、自動化生產流水線、自動紡織、包裝、冶金等；精密電子設備和儀器：醫療器械；打印機；復印機等；其它：航空航天；兵器等;7基本原理（一）無刷直流電機組成部分：電機本體、位置傳感器、電子開關線路；電機本體在結構上與永磁同步電動機相似；電子開關線路由功率邏輯開關單元和位置傳感器信號處理單元兩部分組成；電子開關線路導通次序是與轉子轉角同步的，起機械換向器的換向作用。8基本原理（二）無刷直流電動機結構

9基本原理（三）轉子每轉過60o，逆變器開關管換流一次、定子磁狀態改變一次，電機有6個磁狀態，三相各導通120o——兩相導通三相六狀態轉子磁場順時針連續旋轉、定子磁場隔60O跳躍旋轉——自同步電機10基本原理（四）11基本原理（五）12控制系統（一）控制電路對轉子位置傳感器檢測的信號進行邏輯變換后產生脈寬調制PWM信號，經過驅動電路放大送至逆變器各功率開關管，從而控制電動機各相繞組按一定順序工作，在電機氣隙中產生跳躍式旋轉磁場。13控制系統（二）

位置檢測器的三個輸出信號通過邏輯電路控制這些開關管的導通和截止，其控制方式有兩種：二二導通方式和三三導通方式。14控制系統（三）有位置傳感器檢測磁敏式光電式電磁式接近開關式正余弦變壓器編碼器15控制系統（四）無位置傳感器檢測反電動勢檢測續流二極管工作狀態檢測定子三次諧波檢測瞬時電壓方程法16控制系統（五）對于單相交流電源供電、電機采用三相電樞繞組時，典型的開關主電路通常由整流電路、濾波電路、緩沖電路和逆變電路構成17控制系統（六）逆變電路：功率開關管T1~T6、續流二極管D1~D6功率開關管Tl~T6通常為GTR、功率MOSFET、IGBT、GTO以及MCT等功率電子器件，也可以為功率集成電路PIC或智能功率模塊IPM18控制系統（七）

驅動電路將控制電路的輸出信號進行功率放大，并向各開關管送去能使其飽和導通和可靠關斷的驅動信號。驅動電路的工作方式直接影響著開關管的一些參數和特性，從而影響著整個電機控制系統的正常工作。開關管的種類不同，對驅動信號的要求也不同，因而對應的驅動電路也不同。19控制系統（八）20控制系統（九）控制電路是無刷直流電動機正常運行并實現各種調速伺服功能的指揮中心，它主要完成以下功能：1)對轉子位置傳感器輸出的信號、PWM調制信號、正反轉和停車信號進行邏輯綜合,給驅動電路提供各開關管的斬波和選通信號,實現電機的正反轉及停車控制。2)產生PWM調制信號，使電機的電壓隨給定速度信號而自動變化，實現電機開環調速。3)對電動機進行速度閉環調節和電流閉環調節，使系統具有較好的動態和靜態性能。4)實現短路、過流和欠壓等故障保護功能等。21控制系統（十）控制器模擬控制系統

數字控制系統

分立元件加少量集成電路構成的模擬控制系統

基于專用集成電路的控制系統

數模混合控制系統

全數字控制系統

22控制系統（十一）可以實現較復雜的控制提高了控制的靈