直流无刷电机原理及其数字化控制发展方向

詹瑜坤 华侨大学信息学院 361021

直流无刷电机原理及其数字化控制发展方向

詹瑜坤 华侨大学信息学院 361021

引言

无刷直流电机是最近发展起来的融合了多学科技术的一种新型电机，具有高速度、高效率、高动态响应、高热容量和高可靠性等优点，同时还具有低噪声和长寿命以及低成本等特点。近年来，随着新材料技术的进步，无刷直流电机得到了迅速的发展，其功率覆盖等级也越来越大。目前无刷电机已广泛应用于各种领域，如医疗仪器、分析仪器、材料处理、过程控制、机床工业、纺织工业和轻工机械等。小功率无刷直流电机主要应用于工厂自动化和办公自动化方面，如计算机外设、复印机和家用电器中，它正在迅速取代传统的直流电机和异步电机。

1. 直流无刷电机的结构和工作原理

直流无刷电机与传统的直流电机相比，从结构上看主要区别在于:用装有永磁体的转子取代有刷直流电机的定子磁极;用具有多相绕组的定子取代电枢;用由固态逆变器和轴位置检测器组成的电子换向器取代机械换向器和电刷。因此，直流无刷电机一般由永磁电机本体、逆变器和转子位置传感器组成，组成框图如图1所示。

图1. 直流无刷电机的组成框图

1.1 电动机本体

电动机本体通常由永磁同步电机构成。其转子采用永久磁铁励磁。由于转子磁场的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布为正弦波和梯形波两种。对于正弦波直流无刷电机，希望在绕组中获得正弦波形式的反电势，其绕组形式采用短距、分布或分数形式，以尽可能削弱其它次谐波，从而保留基波。而方波直流无刷电机为了获得顶宽为120度的方波或梯形波，定子绕组采用整距、集中的形式，以保留磁密中的其它谐波。

电动机本体首先必须满足电磁方面的要求，保证在工作气隙中产生足够的磁通，电枢绕组允许通过一定的电流，以便产生一定的电磁转矩;其次要满足机械方面的要求，保证机械机构牢固和稳定，能传送一定的转矩，并能经受住一定环境条件的考验。

1.2 逆变器

逆变器的作用是将位置传感器检测到的转子位置信号进行处理，按一定的逻辑代码输出，去触发末级功率开关管。与一般逆变器不同，它的输出频率不是独立调节的，而受控于转子位置检测信号，是一个“自控式逆变器”。直流无刷电机由于采用了自控式逆变器，电机输入电流的频率和电机转速始终保持同步，电机和逆变器输出之间不会产生振荡和失步。这也是直流无刷电机的重要优点之一。

1.3 转子位置传感器

位置传感器在直流无刷电机中起着测定转子磁极位置的作用，为逆变器提供正确的换相信息。位置传感器与电机同轴安装，由于逆变器的导通次序是与转子转角同步的，因而与逆变器一起，起着与直流有刷电机的机械换相相类似的作用。位置传感器种类较多，特点各异。目前，直流无刷电机系统的位置传感器多为电磁式、光电式和磁敏式。

2. 直流无刷电机的控制

直流无刷电机的运行原理和有刷直流电机基本相同，但是它用转子位置传感器代替电刷，依靠转子位置传感器检测出转子的位置信号，通过换相驱动电路驱动与电枢绕组连接的各功率开关管的导通与关断，达到换相的目的，使电机运转起来。直流无刷电机三相绕组主回路基本类型有三相半控和三相全控两种。

这里以丫联结三相全控桥两两通电方式为例进行介绍，电路如图2所示。所谓两两导通方式是指每一个瞬间有两个功率管导通，每隔1/6周期(60“电角度)换相一次，每次换相一个功率管，每一功率管导通120“电角度。各功率管的导通顺序V1V2－V2V3－V3V4－V4V5－V5V6－V6V1－V1V2,当功率管V1V2导通时，电流从V1管流入A相绕组，再从C相绕组流出，经V2管回到电源。

图3所示的是相电流与感应电动势的波形，各相电流每次导通时间均为120度。

图2 三相全控桥两两通电电路

3. 直流无刷电机的数字化控制发展方向

永磁无刷直流电动机性能的改善和提高，除了与电动机本体及电子驱动电路有关外，更与其控制器密切相关。自20世纪80年代以来随着微型计算机技术、控制技术、控制理论等的飞速发展，人们从提高控制器性能这条途径来提高永磁无刷直流电动机的性能，并取得了一些可喜的成果。特别是进入90年代以后，高速微处理器和DSP器件的出现，保证了无刷直流电动机性能的快速提高。此外先进的控制方法例如滑模控制、变结构控制、模糊控制和专家控制等被相继引入无刷电机控制器，从而推动着永磁无刷直流电动机朝着高智能化、柔性化、全数字化方向发展，为其进入数字化时代开辟了新纪元。

无刷直流电机运行过程要进行两种控制，一种是转速控制，也即控制提供给定子线圈的电流;另一种是换相控制，在转子到达指定位置改变定子导通相，实现定子磁场改变，这种控制实际上实现了物理电刷的机制。因此这种电机需要有位置反馈机制，比如霍尔元件、光电码盘，或者利用梯形反电动势特点进行反电动势过零检测等。利用霍尔元件的系统在软件实现上更方便。电机速度控制也是根据位置反馈信号，计算出转子速度，再利用PI或PID等控制方法，实时调整PWM(脉宽调制)占空比等来实现定子电流调节。因此，控制芯片要进行较多的计算过程。当然也有专门的无刷直流电机控制芯片;但一般来说，在大多数应用中，除了电机控制，总还需要做一些其他的控制和通信等事情。所以，选用带PWM，同时又有较强数学运算功能的芯片也是一种很好的选择。因为DSP具有较强的计算能力和较好的实时性，使得算法复杂的现代控制理论能够在实际中得到很好的应用，特别是实时性要求很高的系统，也可以通过DSP实现复杂的智能控制算法。TI公司的定点数字信号处理器TMS320LF2407系列，整合了通用数字信号处理器快速运算功能和单片机外围丰富的特点，特别适合直流无刷电机的高性能控制。

经过近20年的发展，DSP的性能大大提高的同时，它的成本也大大降低，芯片的价格降低到3美元，使得DSP产品的应用己扩大到人们的学习、工作和生活的各个方面。

DSP技术的提高和CPU相似，已经成为决定电子产品更新换代的决定因素。用DSP进行电力传动系统的设计，是未来电力传动系统实现数字化、智能化的发展方向。

图3 电流与感应电动势的波形

[1]张琛.直流无刷电动机原理及应用[M].机械工业出版社. 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

永磁直流无刷电机具有体积小、重量轻、高效低噪、单机容量大且可靠性高的特点，目前无刷电机已广泛应用于各种领域。随着微型计算机技术、控制技术、控制理论等的飞速发展，人们从提高控制器性能这条途径来提高永磁无刷直流电动机的性能。

直流无刷电机 ；DSP(Digital Signal Processor)；数字化控制

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。华侨大学信息学院，实验师。