「自动控制元件及线路」6 无刷直流电动机

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概述

1. 直流电机的优点：线性机械特性、起动转矩最大、调速范围宽、控制电路简单
   直流电机的缺点：有电刷和换向器，影响寿命、调速精度
2. 无刷直流电动机：用电子换向装置代替电刷和换向器实现换向，在规避缺点的同时保留优点
3. 无刷直流电动机的特点：自控式运行「即运行过程由专门的控制器控制，而不受电源、负载情况的影响」不需起动绕组，也不会发生震荡和失步
4. 电子换向：或称电子换相、换流。在无刷直流电机中，转子位置传感器读取当前转子位置，按照一定的逻辑程序，驱动功率开关晶体管，使得对应绕组通电或断电，从而使定子磁极状态发生变化，在气隙中产生一个跳跃式的旋转磁场。

无刷直流电动机的结构

组成部分：

1. 电动机本体
2. 位置传感器
3. 电子控制与开关电路

电机本体结构与永磁同步电机类似，电枢在定子上，磁极在转子上，但没有起动绕组。

电刷和换向器会根据转子所处的位置而接通相应的回路，如果改成由电子开关控制，就需要知道转子处于何处，因此必须加装位置传感器

控制器由功率管和集成电路等构成，接受控制信号（如起动、停止、制动、转向、速度）和传感器信号（如位置传感器信号、速度反馈信号），来控制各功率管的通断，从而控制电机。并提供保护和其他功能

位置传感器

按照原理，可以分为：电磁式、光电式、磁敏式。
除了使用传统意义上的传感器，还可以利用反电势检测、二极管工作状态检测等软件控制算法解算转子所处的位置（本文不涉及）

1. 电磁式位置传感器
   搭配测速齿轮使用。将磁通量变化转换成电信号输出。输出信号大，不需外接电源，工作可靠，能适应恶劣环境。但信噪比低，分辨率低，体积大，基本被淘汰
2. 光电式位置传感器
   由发光管、遮光板、光敏接收管等组成。利用了光电效应原理。体积小、精度高、非接触、反应快，应用广泛。缺点是光信号易受灰尘、水汽影响，可靠性较低
3. 磁敏式位置传感器
   利用对磁场敏感的半导体元件制成，最常见的是霍尔效应磁敏传感器。结构简单、体积较小、价格低廉、安装方便，目前应用最为广泛。缺点是位置测量精度低。

霍尔元件

霍尔传感器分为开关型和线性型。其中线性型主要用于测量交直流电流和电压，输出模拟量。
开关型霍尔传感器输出数字量（0或1），按照输出特性，可以分为：

1. 单极性霍尔开关
   N或S中的某一个磁极靠近，则输出高电平
2. 双极性
   N或S极靠近，分别输出一个电平。磁场移除后，输出不定。
   • 锁存型
     双极性，且磁场移除后，输出状态不变。
3. 全极性
   N或S极靠近，都输出高电平

直流电机换向片数量很多，如果为每一个绕组单独配置一个位置传感器进行控制，实现困难且成本高。因此一般只装配较少的位置传感器（如三个），通过逻辑信号处理实现控制。

无刷直流电机的工作原理

下面以两个例子加以说明：

1. 两极四相电机
   
   观察上图不难发现，转子位于不同位置时，控制不同绕组通电，产生旋转磁场，磁场方向始终使转子向同一个方向旋转。
   「与步进电机不同的是，步进电机旋转磁场和转子磁极是基本同步的，磁场旋转后转子跟上，最终可以到达平衡位置；而无刷直流电机旋转磁场始终超前转子磁极，当转子转过一定角度，夹角变小时，旋转磁场就已经跳到下一步，走不到平衡位置」

2. 两极三相电机（星接）
   
   
   
   转子每转过60度电角，定子磁势就发生一次跳跃，同样转过60度电角。

3. 总结：
   无刷直流电机定子绕组轮流通电，形成步进式旋转磁场，带动转子不断转动
   电枢绕组切换信号来自本身的传感器（而步进式电动机来自外加的控制脉冲）
   定、转子磁场轴线夹角约90度电角，与直流电机类似。

运行分析

通电状态、磁状态角

通电状态类似步进电机的“拍”
记绕组的不同通电状态数为N，绕组相数为m，则$N=km(k=1,2)$。k表示同时通电的相数

导通角：每一相绕组通电时，转子所能转过的电角度。记为${\alpha }_c=\frac{360°}{m}$

磁状态角：电枢通电情况不变，转子所能转过的电角度。是磁势向量图中相邻磁势向量的夹角。记为${\alpha }_m=\frac{360°}{N}$

转矩

定子和转子磁势夹角为：$\theta =90°\pm \frac{1}{2}{\alpha }_m$
与之前分析一样，转矩是该夹角的周期函数，取其傅立叶展开的基波分量：$T_{em}=K\sin \theta$
但由于磁场（磁动势）是跳跃式转动的，因此夹角$\theta$并不是一个恒定值。比如前面的两极四相电机，$\theta$在135~ 45度之间波动；两极三相电机，$\theta$在120~ 60度之间波动。因此转矩T随着$\theta$的变化而波动
在低速运转时，电磁转矩波动的不利影响较大。而高速运转时，由于电机的幅频特性为下降趋势，抑制高频噪声，所以影响较小。

转向

电机转向由电枢绕组的通电顺序决定。而通电顺序由位置传感器输出信号送入逻辑处理电路后控制功率管开关决定。
因此要改变电机转向，需要更改逻辑处理电路，此外还一般要求功放能提供两个方向的电流

动态方程

无刷直流电动机动态方程与直流电动机相同

• 电压平衡方程：
  $u=Ri+L\frac{\mathrm{d}i}{\mathrm{d}t}+K_e\omega$
• 转矩平衡方程：
  $T=K_{t}i=J\frac{\mathrm{d}\omega }{\mathrm{d}t}+T_c$

若电机处于平衡状态：

1. 电压平衡方程：
   $U_a=E_a+I_a{R}_a$
2. 感应电动势公式：
   $E_a=K_{e}n$
3. 转矩平衡方程：
   $T=T_0+T_L=T_c$
4. 电磁转矩公式：
   $T=K_t{I}_a$

无刷直流电机的动态方程、框图、传递函数都与直流电机完全相同，同样可以通过控制电枢电压来调节电机转速。