直流無刷電動(dòng)機(jī)

　　無刷直流馬達(dá)（英語：Brushless DC Motor）或稱直流無刷電機(jī)或BLDC電機(jī)，是沒有電刷和換向器的電動(dòng)機(jī)，根據(jù)轉(zhuǎn)子永久磁鐵位置調(diào)整定子電流以產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。雖然是稱“直流”馬達(dá)，但實(shí)際上是一種使用三相電的永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）。之所以被稱為“無刷直流電機(jī)”是因?yàn)樵谠S多應(yīng)用中該電機(jī)可以替換有刷直流電機(jī)。因此，BLDC電機(jī)也被稱為EC（電子換向）電機(jī)，以便與包含電刷的機(jī)械換向電機(jī)進(jìn)行區(qū)分。

　　BLDC電機(jī)利用電力電子技術(shù)（變頻器）輸入控制訊號(hào)到馬達(dá)，以切換直流電的開關(guān)和通過的線圈組，而得到力矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。但這些控制信號(hào)，波形沒有限制。方波驅(qū)動(dòng)的稱為BLDC，用于位置要求不是很高的場合；正弦波驅(qū)動(dòng)的稱PMSM，用于伺服場合。

發(fā)展

　　早在1917年Boiiger就提出了用整流管代替有刷直流電機(jī)的機(jī)械電刷的想法。1955年，美國D.Harrison等人申請(qǐng)用晶體管換向線路代替有刷直流電機(jī)機(jī)械電刷的專利，標(biāo)志著現(xiàn)代無刷電機(jī)的誕生。[3]

結(jié)構(gòu)

　　較簡單的結(jié)構(gòu)是有一枚永久磁鐵及至少兩組（四個(gè)端子）線圈，兩組線圈輪流開關(guān)。永久磁鐵是轉(zhuǎn)子，線圈是定子。當(dāng)磁鐵與線圈成一直線的時(shí)候，斷開該組線圈，啟動(dòng)下一組線圈。

定子

　　BLDC電機(jī)的定子與感應(yīng)電機(jī)的定子相似，是由絕緣鑄鋼疊片組成，可以降低渦流的電流損失。多數(shù)BLDC電機(jī)都有三個(gè)星型連接的定子繞組，繞組置于沿內(nèi)部圓周的軸向沖壓槽中。直徑小于40mm的電機(jī)會(huì)采用無齒槽設(shè)計(jì)：它的定子沒有鐵芯，鐵損大幅減少，因此能效等級(jí)更高。

轉(zhuǎn)子

　　轉(zhuǎn)子用永磁體制成，轉(zhuǎn)子里是沒有線圈的。可有2到8對(duì)磁極，南磁極和北磁極交替排列。使用稀土合金磁體可以提高磁通密度，縮小轉(zhuǎn)子體積。永磁體在轉(zhuǎn)子上的安裝方式多種多樣：表貼式永磁（SPM）將永磁體裝在轉(zhuǎn)子鐵芯外圓表面，通常見于高功率密度電機(jī)；表面嵌入式永磁（SIPM）電機(jī)的永磁體放在轉(zhuǎn)子外表面的凹槽中，使得整個(gè)轉(zhuǎn)子為圓柱形，提高了機(jī)械強(qiáng)度，防止永磁體在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)飛出；內(nèi)置式永磁（IPM）轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠，但安裝工藝復(fù)雜，多用于高速電機(jī)。

類型

　　BLDC電機(jī)有內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)和外轉(zhuǎn)子電機(jī)兩種結(jié)構(gòu)類型。內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低，散熱非常快，在大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用中廣泛使用。外轉(zhuǎn)子電機(jī)的定子位于內(nèi)側(cè)，轉(zhuǎn)子包括一個(gè)能夠旋轉(zhuǎn)外殼，磁體安裝在外殼上，定子發(fā)熱線圈與環(huán)境隔絕，散熱相對(duì)較慢。由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)矩很大且很難控制轉(zhuǎn)子外殼的平衡，所以外轉(zhuǎn)子電機(jī)不適用于旋轉(zhuǎn)速度很高的模式。但外轉(zhuǎn)子電機(jī)可以擁有更短的結(jié)構(gòu)并通常具備更小的停轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，而由于在相同的磁力下，它的轉(zhuǎn)子直徑更大，因此其轉(zhuǎn)矩也更大。

                                        外轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的永磁直流無刷馬達(dá)

　　以定子繞組中線圈的互連方式分為梯形和正弦電機(jī)。采用集中整距繞組時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為梯形波，稱為永磁無刷直流電機(jī)（BLDC）；分布繞組時(shí)，永磁轉(zhuǎn)子形成正弦磁場，稱為永磁同步電機(jī)（PMSM）。新型向量控制技術(shù)已對(duì)無刷直流電機(jī)使用正弦波控制，使得轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和低速性能均有較大改善。正弦電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩比梯形電機(jī)平滑，但因?yàn)槔@組之間有額外的互連，從而增加了耗銅量。永磁無刷直流電機(jī)（梯形波）的功率密度比永磁同步電機(jī)（正弦波）大15%。

控制

　　在控制BLDC電機(jī)時(shí)，一般使用的是逆變器電路，例如脈沖寬度調(diào)制（PWM），通過調(diào)整脈沖占空比（ON/OFF）改變電壓：若ON的比率較高，可以得到和提高電壓相同的效果；若ON的比率下降，則可以得到和電壓降低相同的效果。另外，BLDC電機(jī)的控制是配合著轉(zhuǎn)子（永磁體）的位置（角度）進(jìn)行的。因此，電機(jī)控制還需要獲取轉(zhuǎn)子位置。

霍爾傳感器

　　多數(shù)BLDC電機(jī)在其非驅(qū)動(dòng)端上的定子中嵌入了三個(gè)霍爾傳感器（Hall sensor）。每當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極經(jīng)過霍爾傳感器附近時(shí)，它們便會(huì)發(fā)出一個(gè)高電平或低電平信號(hào)，表示北磁極或南磁極正經(jīng)過該傳感器。根據(jù)這三個(gè)霍爾傳感器信號(hào)的組合，就能決定換向的精確順序。每次換向，都有一個(gè)繞組連到控制電源的正極，第二個(gè)繞組連到負(fù)極，第三個(gè)處于失電狀態(tài)。六步換向定義了給繞組加電的順序。通過控制通向線圈的電流方向和大小來控制轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。

　　從技術(shù)上來說，霍爾傳感器和塊換向組合是驅(qū)動(dòng)BLDC電機(jī)的最簡單方法。這種技術(shù)的劣勢(shì)在于，由于切換過程不連續(xù)，在塊換向中，會(huì)產(chǎn)生以此為峰值的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，其頻率為電機(jī)電動(dòng)旋轉(zhuǎn)頻率的六倍。這會(huì)引發(fā)振動(dòng)和噪音；低速下尤其如此，電機(jī)不會(huì)始終均勻地旋轉(zhuǎn)。通電的理想形式是正弦換向，永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）的每個(gè)繞組都由一個(gè)120°正弦波供電，從而產(chǎn)生強(qiáng)度恒定并持續(xù)旋轉(zhuǎn)的定子磁場。一般來說，對(duì)于精密控制合成磁通量的矢量控制，轉(zhuǎn)角傳感器（Angle Sensor）或光電編碼器等高精度傳感器較為有效。

位置檢測(cè)專用傳感器的種類及特征

　　電機(jī)類型傳感器種類主要用途特征

　　BLDC霍爾效應(yīng)傳感器梯形波、120度通電控制每60度獲取一次信號(hào)，價(jià)格較低，不耐熱。

　　PMSM光電編碼器正弦波控制、矢量控制分辨率高，但抗震性、防塵能力較弱，成本較高。

　　轉(zhuǎn)角傳感器正弦波控制、矢量控制分辨率高，適用于惡劣環(huán)境。

無傳感器控制

　　BLDC電機(jī)可以通過監(jiān)視反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，而不是霍爾傳感器信號(hào)來換向。在既定電機(jī)磁通量和繞組數(shù)固定的情況下，反電動(dòng)勢(shì)的幅度與電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度成正比。無傳感器控制簡化了電機(jī)結(jié)構(gòu)（不需要附加繞組），節(jié)約了成本，但當(dāng)電機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，無法獲得轉(zhuǎn)子位置，因而需要一種特殊的啟動(dòng)方法。當(dāng)電機(jī)在控制模式下運(yùn)轉(zhuǎn)多個(gè)換向周期直到獲得一定速度后，無傳感器測(cè)量便能夠確定轉(zhuǎn)子位置。無傳感器控制的BLDC電機(jī)適合安裝在難以檢修的位置，或在多灰塵、多油的環(huán)境中運(yùn)行，但不適合需要較低速度的應(yīng)用，因?yàn)榇藭r(shí)反電機(jī)勢(shì)很小而難以測(cè)量，會(huì)造成工作效率不高。

　　無傳感器BLDC電機(jī)的控制系統(tǒng)由一個(gè)MCU控制芯片加上一個(gè)IGBT或MOSFET驅(qū)動(dòng)器組成[，外設(shè)器件有三相PWM、ADC和用于過流保護(hù)的比較器。

電動(dòng)機(jī)標(biāo)量控制和矢量控制的比較

　　控制參數(shù)V/Hz控制矢量控制無傳感器矢量控制

　　速度調(diào)節(jié)1%0.001%0.05%

　　轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)差±2%±5%

　　電機(jī)模型不要求要求要求精確的模型

　　MCU處理功率低高高+DSP

特性

　　BLDC電機(jī)的轉(zhuǎn)矩在達(dá)到額定值之前都保持不變。電機(jī)可達(dá)最大轉(zhuǎn)速是額定轉(zhuǎn)速的150%，但從超過額定轉(zhuǎn)速起轉(zhuǎn)矩開始下降。

　　與傳統(tǒng)有刷式直流電動(dòng)機(jī)相比，無刷式較為安全和可靠。碳刷長期使用有碳粉，高溫環(huán)境下，碳粉可能會(huì)爆炸。因此，需要定期清理，同時(shí)保養(yǎng)成本較高。但同樣的去除電刷需要使用電子技術(shù)，不是透過簡單改變電壓就能控制定子的轉(zhuǎn)動(dòng)了。

BLDC電機(jī)與感應(yīng)電機(jī)比較

　　特性BLDC交流感應(yīng)電機(jī)

　　轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩特性特性曲線平坦，在負(fù)載額定的條件，可在所有轉(zhuǎn)速下正常工作。特性曲線非線性，低轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩也低。

　　輸出功率/體積功率密度高，由于轉(zhuǎn)子采用永磁體，體積較小功率密度中等，由于定子和轉(zhuǎn)子都有繞組，輸出功率與體積之比低于BLDC。

　　轉(zhuǎn)子慣性慣性小，動(dòng)態(tài)特性較佳慣性大，動(dòng)態(tài)特性較差

　　起動(dòng)電流額定值，無需專門的啟動(dòng)電路。大約是額定值的7倍，應(yīng)謹(jǐn)慎選擇合適的啟動(dòng)電路。通常使用星型-三角形啟動(dòng)器。

　　控制要求要保持電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，始終需要控制器。還可使用這一控制器控制轉(zhuǎn)速。固定轉(zhuǎn)速不需要控制器，只有需要改變轉(zhuǎn)速時(shí)才需要控制器。

　　差頻定子和轉(zhuǎn)子磁場的頻率相等轉(zhuǎn)子運(yùn)行頻率低于定子磁場。差頻隨著電機(jī)負(fù)載的增大而增加。

應(yīng)用

恒定負(fù)載

　　如風(fēng)扇、泵、吹風(fēng)機(jī)這類應(yīng)用需要低成本控制器，多數(shù)運(yùn)行在開環(huán)狀態(tài)。

變化負(fù)載

　　家用電器中的洗衣機(jī)、干衣機(jī)、壓縮機(jī)，汽車上的燃料泵、電子轉(zhuǎn)向、引擎控制，航空航天領(lǐng)域中的離心機(jī)、機(jī)械臂、陀螺儀控制等可能使用轉(zhuǎn)速反饋設(shè)備，運(yùn)行在半閉環(huán)或全閉環(huán)狀態(tài)。這些應(yīng)用使用高級(jí)控制算法，從而增加了控制器的復(fù)雜性，提高了整個(gè)系統(tǒng)的造價(jià)。

定位應(yīng)用

　　機(jī)械齒輪或定時(shí)傳送帶等應(yīng)用中轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)很重要，并且可能需要頻繁切換轉(zhuǎn)向。可能需要有三個(gè)控制環(huán)同時(shí)工作：轉(zhuǎn)矩控制環(huán)、轉(zhuǎn)速控制環(huán)和位置控制環(huán)。

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