無刷直流電動機是采用半導體開關(guān)器件來實現(xiàn)電子換向的,即用電子開關(guān)器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸式換向器和電刷。它具有可靠性高、無換向火花、機械噪聲低等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于高檔錄音座、錄像機、電子儀器及自動化辦公設(shè)備中。
無刷直流電動機由永磁體轉(zhuǎn)子、多極繞組定子、位置傳感器等組成。位置傳感按轉(zhuǎn)子位置的變化,沿著一定次序?qū)Χㄗ永@組的電流進行換流(即檢測轉(zhuǎn)子磁極相對定子繞組的位置,并在確定的位置處產(chǎn)生位置傳感信號,經(jīng)信號轉(zhuǎn)換電路處理后去控制功率開關(guān)電路,按一定的邏輯關(guān)系進行繞組電流切換)。定子繞組的工作電壓由位置傳感器輸出控制的電子開關(guān)電路提供。
位置傳感器有磁敏式、光電式和電磁式三種類型。采用磁敏式位置傳感器的無刷直流電動機,其磁敏傳感器件(例如霍爾元件、磁敏二極管、磁敏詁極管、磁敏電阻器或?qū)S眉呻娐返龋┭b在定子組件上,用來檢測永磁體、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的磁場變化。
采用光電式位置傳感器的無刷直流電動機,在定子組件上按一定位置配置了光電傳感器件,轉(zhuǎn)子上裝有
遮光板,光源為發(fā)光二極管或小燈泡。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時,由于遮光板的作用,定子上的光敏元器件將會按一定頻率間歇間生脈沖信號。
采用電磁式位置傳感器的無刷直流電動機,是在定子組件上安裝有電磁傳感器部件(例如耦合變壓器、接近開關(guān)、LC諧振電路等),當永磁體轉(zhuǎn)子位置發(fā)生變化時,電磁效應(yīng)將使電磁傳感器產(chǎn)生高頻調(diào)制信號(其幅值隨轉(zhuǎn)子位置而變化)。
優(yōu)越性
直流電機具有響應(yīng)快速、較大的起動轉(zhuǎn)矩、
電機實物圖
從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能,但直流電機的優(yōu)點也正是它的缺點,因為直流電機要產(chǎn)生額定負載下恒定轉(zhuǎn)矩的性能,則電樞磁場與轉(zhuǎn)子磁場須恒維持90°,這就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在電機轉(zhuǎn)動時會產(chǎn)生火花、碳粉因此除了會造成組件損壞之外,使用場合也受到限制。交流電機沒有碳刷及整流子,免維護、堅固、應(yīng)用廣,但特性上若要達到相當于直流電機的性能須用復雜控制技術(shù)才能達到?,F(xiàn)今半導體發(fā)展迅速功率組件切換頻率加快許多,提升驅(qū)動電機的性能。微處理機速度亦越來越快,可實現(xiàn)將交流電機控制置于一旋轉(zhuǎn)的兩軸直交坐標系統(tǒng)中,適當控制交流電機在兩軸電流分量,達到類似直流電機控制并有與直流電機相當?shù)男阅堋?
此外已有很多微處理機將控制電機必需的功能做在芯片中,而且體積越來越??;像模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Analog-to-digital converter,ADC)、
脈沖寬度調(diào)制(Pulse wide modulator,PWM)…等。直流無刷電機即是以電子方式控制交流電機換相,得到類似直流電機特性又沒有直流電機機構(gòu)上缺失的一種應(yīng)用。
控制結(jié)構(gòu)
直流無刷電機是同步電機的一種,也就是說電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受電機定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度及轉(zhuǎn)子極數(shù)(p)影響:
n=120.f / p。在轉(zhuǎn)子極數(shù)固定情況下,改變定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。直流無刷電機即是將同步電機加上電子式控制(驅(qū)動器),控制定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率并將電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速回授至控制中心反復校正,以期達到接近直流電機特性的方式。也就是說直流無刷電機能夠在額定負載范圍內(nèi)當負載變化時仍可以控制電機轉(zhuǎn)子維持一定的轉(zhuǎn)速。
直流無刷驅(qū)動器包括電源部及控制部、電源部提供三相電源給電機,控制部則依需求轉(zhuǎn)換輸入電源頻率。
電源部可以直接以直流電輸入(一般為24v)或以交流電輸入(110v/220 v),如果輸入是交流電就得先經(jīng)轉(zhuǎn)換器(Converter)轉(zhuǎn)成直流。不論是直流電輸入或交流電輸入要轉(zhuǎn)入電機線圈前須先將直流電壓由換流器(Inverter)轉(zhuǎn)成3相電壓來驅(qū)動電機。
換流器(Inverter)一般由6個功率
晶體管(q1~q6)分為上臂(q1、q3、q5)/下臂(q2、q4、q6)連接電機作為控制流經(jīng)電機線圈的開關(guān)??刂撇縿t提供pwm(脈沖寬度調(diào)制)決定功率晶體管開關(guān)頻度及換流器(Inverter)換相的時機。直流無刷電機一般希望使用在當負載變動時速度可以穩(wěn)定于設(shè)定值而不會變動太大的速度控制,所以電機內(nèi)部裝有能感應(yīng)磁場的霍爾傳感器(Hall-sensor),作為速度之閉回路控制,同時也做為相序控制的依據(jù)。但這只是用來做為速度控制并不能拿來做為定位控制。
控制原理
要讓電機轉(zhuǎn)動起來,控制部就必須根據(jù)Hall-sensor感應(yīng)到的電機轉(zhuǎn)子所在位置,然后依照定子繞線決定開啟(或關(guān)閉)換流器(Inverter)中功率晶體管的順序,使電流依序流經(jīng)電機線圈產(chǎn)生順向(或逆向)旋轉(zhuǎn)磁場,并與轉(zhuǎn)子的磁鐵相互作用,如此就能使電機順時/逆時轉(zhuǎn)動。當電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到Hall-sensor感應(yīng)出另一組信號的位置時,控制部又再開啟下一組功率晶體管,如此循環(huán)電機就可以依同一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動直到控制部決定要電機轉(zhuǎn)子停止則關(guān)閉功率晶體管(或只開下臂功率晶體管);要電機轉(zhuǎn)子反向則功率晶體管開啟順序相反。
固定磁場無刷電機
一般的無刷直流電機本質(zhì)上屬于伺服電機,由同步電機和驅(qū)動器構(gòu)成,是變頻調(diào)速電機。變壓調(diào)速的無刷直流電機是真正意義上的無刷直流電機,它由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成,定子由鐵心構(gòu)成,線圈采用“順-逆-順-逆……”繞組,由此產(chǎn)生N-S群的固定磁場,轉(zhuǎn)子由一個圓柱體磁鐵構(gòu)成(中間帶軸),或由電磁鐵加集電環(huán)組成,此無刷直流電機可以產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,但不能控制方向,無論怎么說,本電機都是一項非常有意義的發(fā)明。當作為一個直流發(fā)電機,本發(fā)明可以產(chǎn)生連續(xù)振幅的直流電流,從而避免使用濾波電容器,轉(zhuǎn)子可以是永磁、有刷勵磁或無刷勵磁。當作為大型電機時,本電機會產(chǎn)生自感,需要采用保護裝置。[1]