詹瑜坤 華僑大學(xué)信息學(xué)院 361021

直流無(wú)刷電機(jī)原理及其數(shù)字化控制發(fā)展方向

詹瑜坤 華僑大學(xué)信息學(xué)院 361021

引言

無(wú)刷直流電機(jī)是最近發(fā)展起來(lái)的融合了多學(xué)科技術(shù)的一種新型電機(jī)，具有高速度、高效率、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、高熱容量和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有低噪聲和長(zhǎng)壽命以及低成本等特點(diǎn)。近年來(lái)，隨著新材料技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)刷直流電機(jī)得到了迅速的發(fā)展，其功率覆蓋等級(jí)也越來(lái)越大。目前無(wú)刷電機(jī)已廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，如醫(yī)療儀器、分析儀器、材料處理、過(guò)程控制、機(jī)床工業(yè)、紡織工業(yè)和輕工機(jī)械等。小功率無(wú)刷直流電機(jī)主要應(yīng)用于工廠自動(dòng)化和辦公自動(dòng)化方面，如計(jì)算機(jī)外設(shè)、復(fù)印機(jī)和家用電器中，它正在迅速取代傳統(tǒng)的直流電機(jī)和異步電機(jī)。

1. 直流無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

直流無(wú)刷電機(jī)與傳統(tǒng)的直流電機(jī)相比，從結(jié)構(gòu)上看主要區(qū)別在于:用裝有永磁體的轉(zhuǎn)子取代有刷直流電機(jī)的定子磁極;用具有多相繞組的定子取代電樞;用由固態(tài)逆變器和軸位置檢測(cè)器組成的電子換向器取代機(jī)械換向器和電刷。因此，直流無(wú)刷電機(jī)一般由永磁電機(jī)本體、逆變器和轉(zhuǎn)子位置傳感器組成，組成框圖如圖1所示。

圖1. 直流無(wú)刷電機(jī)的組成框圖

1.1 電動(dòng)機(jī)本體

電動(dòng)機(jī)本體通常由永磁同步電機(jī)構(gòu)成。其轉(zhuǎn)子采用永久磁鐵勵(lì)磁。由于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的幾何形狀不同，使得轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)在空間的分布為正弦波和梯形波兩種。對(duì)于正弦波直流無(wú)刷電機(jī)，希望在繞組中獲得正弦波形式的反電勢(shì)，其繞組形式采用短距、分布或分?jǐn)?shù)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(wú)刷電機(jī)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(dòng)機(jī)本體首先必須滿足電磁方面的要求，保證在工作氣隙中產(chǎn)生足夠的磁通，電樞繞組允許通過(guò)一定的電流，以便產(chǎn)生一定的電磁轉(zhuǎn)矩;其次要滿足機(jī)械方面的要求，保證機(jī)械機(jī)構(gòu)牢固和穩(wěn)定，能傳送一定的轉(zhuǎn)矩，并能經(jīng)受住一定環(huán)境條件的考驗(yàn)。

1.2 逆變器

逆變器的作用是將位置傳感器檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)進(jìn)行處理，按一定的邏輯代碼輸出，去觸發(fā)末級(jí)功率開關(guān)管。與一般逆變器不同，它的輸出頻率不是獨(dú)立調(diào)節(jié)的，而受控于轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)信號(hào)，是一個(gè)“自控式逆變器”。直流無(wú)刷電機(jī)由于采用了自控式逆變器，電機(jī)輸入電流的頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速始終保持同步，電機(jī)和逆變器輸出之間不會(huì)產(chǎn)生振蕩和失步。這也是直流無(wú)刷電機(jī)的重要優(yōu)點(diǎn)之一。

1.3 轉(zhuǎn)子位置傳感器

位置傳感器在直流無(wú)刷電機(jī)中起著測(cè)定轉(zhuǎn)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(jī)同軸安裝，由于逆變器的導(dǎo)通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，因而與逆變器一起，起著與直流有刷電機(jī)的機(jī)械換相相類似的作用。位置傳感器種類較多，特點(diǎn)各異。目前，直流無(wú)刷電機(jī)系統(tǒng)的位置傳感器多為電磁式、光電式和磁敏式。

2. 直流無(wú)刷電機(jī)的控制

直流無(wú)刷電機(jī)的運(yùn)行原理和有刷直流電機(jī)基本相同，但是它用轉(zhuǎn)子位置傳感器代替電刷，依靠轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)出轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，通過(guò)換相驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)與電樞繞組連接的各功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，達(dá)到換相的目的，使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)。直流無(wú)刷電機(jī)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(lián)結(jié)三相全控橋兩兩通電方式為例進(jìn)行介紹，電路如圖2所示。所謂兩兩導(dǎo)通方式是指每一個(gè)瞬間有兩個(gè)功率管導(dǎo)通，每隔1/6周期(60“電角度)換相一次，每次換相一個(gè)功率管，每一功率管導(dǎo)通120“電角度。各功率管的導(dǎo)通順序V1V2－V2V3－V3V4－V4V5－V5V6－V6V1－V1V2,當(dāng)功率管V1V2導(dǎo)通時(shí)，電流從V1管流入A相繞組，再?gòu)腃相繞組流出，經(jīng)V2管回到電源。

圖3所示的是相電流與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的波形，各相電流每次導(dǎo)通時(shí)間均為120度。

圖2 三相全控橋兩兩通電電路

3. 直流無(wú)刷電機(jī)的數(shù)字化控制發(fā)展方向

永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)性能的改善和提高，除了與電動(dòng)機(jī)本體及電子驅(qū)動(dòng)電路有關(guān)外，更與其控制器密切相關(guān)。自20世紀(jì)80年代以來(lái)隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、控制理論等的飛速發(fā)展，人們從提高控制器性能這條途徑來(lái)提高永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的性能，并取得了一些可喜的成果。特別是進(jìn)入90年代以后，高速微處理器和DSP器件的出現(xiàn)，保證了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)性能的快速提高。此外先進(jìn)的控制方法例如滑?？刂啤⒆兘Y(jié)構(gòu)控制、模糊控制和專家控制等被相繼引入無(wú)刷電機(jī)控制器，從而推動(dòng)著永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)朝著高智能化、柔性化、全數(shù)字化方向發(fā)展，為其進(jìn)入數(shù)字化時(shí)代開辟了新紀(jì)元。

無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行過(guò)程要進(jìn)行兩種控制，一種是轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子到達(dá)指定位置改變定子導(dǎo)通相，實(shí)現(xiàn)定子磁場(chǎng)改變，這種控制實(shí)際上實(shí)現(xiàn)了物理電刷的機(jī)制。因此這種電機(jī)需要有位置反饋機(jī)制，比如霍爾元件、光電碼盤，或者利用梯形反電動(dòng)勢(shì)特點(diǎn)進(jìn)行反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)等。利用霍爾元件的系統(tǒng)在軟件實(shí)現(xiàn)上更方便。電機(jī)速度控制也是根據(jù)位置反饋信號(hào)，計(jì)算出轉(zhuǎn)子速度，再利用PI或PID等控制方法，實(shí)時(shí)調(diào)整PWM(脈寬調(diào)制)占空比等來(lái)實(shí)現(xiàn)定子電流調(diào)節(jié)。因此，控制芯片要進(jìn)行較多的計(jì)算過(guò)程。當(dāng)然也有專門的無(wú)刷直流電機(jī)控制芯片;但一般來(lái)說(shuō)，在大多數(shù)應(yīng)用中，除了電機(jī)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(shí)又有較強(qiáng)數(shù)學(xué)運(yùn)算功能的芯片也是一種很好的選擇。因?yàn)镈SP具有較強(qiáng)的計(jì)算能力和較好的實(shí)時(shí)性，使得算法復(fù)雜的現(xiàn)代控制理論能夠在實(shí)際中得到很好的應(yīng)用，特別是實(shí)時(shí)性要求很高的系統(tǒng)，也可以通過(guò)DSP實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的智能控制算法。TI公司的定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407系列，整合了通用數(shù)字信號(hào)處理器快速運(yùn)算功能和單片機(jī)外圍豐富的特點(diǎn)，特別適合直流無(wú)刷電機(jī)的高性能控制。

經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，DSP的性能大大提高的同時(shí)，它的成本也大大降低，芯片的價(jià)格降低到3美元，使得DSP產(chǎn)品的應(yīng)用己擴(kuò)大到人們的學(xué)習(xí)、工作和生活的各個(gè)方面。

DSP技術(shù)的提高和CPU相似，已經(jīng)成為決定電子產(chǎn)品更新?lián)Q代的決定因素。用DSP進(jìn)行電力傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是未來(lái)電力傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化的發(fā)展方向。

圖3 電流與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的波形

[1]張琛.直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社. 2004

[2]韓安太,劉峙飛,黃海. DSP控制器原理及其在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[M]. 北京：清華大學(xué)出版社.2003

[3]許建國(guó).電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)[M]. 北京：高等教育出版社. 2004.8

[4]王曉明,王玲.電動(dòng)機(jī)的DSP控制-TI公司DSP應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2004

[5]張曉紅,趙顯紅,陳經(jīng)林,王曄. 直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)的研究[J]. 微計(jì)算機(jī)信息.2009，(1)：146-147

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(wú)刷電機(jī)具有體積小、重量輕、高效低噪、單機(jī)容量大且可靠性高的特點(diǎn)，目前無(wú)刷電機(jī)已廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、控制理論等的飛速發(fā)展，人們從提高控制器性能這條途徑來(lái)提高永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的性能。

直流無(wú)刷電機(jī) ；DSP(Digital Signal Processor)；數(shù)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(xué)信息學(xué)院，實(shí)驗(yàn)師。