無刷直流電動(dòng)機(jī)
一、概述
直流電動(dòng)機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速和啟動(dòng)特性好，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大，被廣泛應(yīng)用于各種驅(qū)動(dòng)裝置和伺服系統(tǒng)中。但是，直流電動(dòng)機(jī)都有電刷和換向器，其間形成的滑動(dòng)機(jī)械接觸嚴(yán)重地影響了電動(dòng)機(jī)的精度、性能和可靠性，所產(chǎn)生的火花會(huì)引起無線電干擾�？s短電動(dòng)機(jī)壽命，換向器電刷裝置又使直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、噪聲大、維護(hù)困難，長(zhǎng)期以來人們都在尋求可以不用電刷和換向器裝置的直流電動(dòng)機(jī)。
隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，各種大功率電子器件的廣泛采用，這種愿望已被逐步實(shí)現(xiàn)。本章要介紹的無刷直流電動(dòng)機(jī)利用電子開關(guān)線路和位置傳感器來代替電刷和換向器，使這種電動(dòng)機(jī)既具有直流電動(dòng)機(jī)的特性。又具有交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)；它的轉(zhuǎn)速不再受機(jī)械換向的限制，若采用高速軸承，還可以在高達(dá)每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)要中運(yùn)行。
元刷直流電動(dòng)機(jī)用途非常廣泛，可作為一般直流電動(dòng)機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)和力矩電動(dòng)機(jī)等使用，尤其適用于****電子設(shè)備、機(jī)器人、航空航天技術(shù)、數(shù)控裝置、醫(yī)療化工等高新技術(shù)領(lǐng)域。無刷直流電動(dòng)機(jī)將電子線路與電機(jī)融為一體，把先進(jìn)的電子技術(shù)應(yīng)用于電機(jī)領(lǐng)域，這將促使電機(jī)技術(shù)更新、更快地發(fā)展。
二、無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和類型
(一)基本結(jié)構(gòu)
無刷直流電動(dòng)機(jī)是一種自控變頻的永磁同步電動(dòng)機(jī)，就其基本組成結(jié)構(gòu)而言．可以認(rèn)為是由電動(dòng)機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開關(guān)電路三部分組成的“電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)”。其基本結(jié)構(gòu)如圖5一20所示。
電動(dòng)機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上是一臺(tái)普通的凸極式同步電動(dòng)機(jī)．它包括主定子和主轉(zhuǎn)子兩部分，主定子上放置空間互差120。的三相對(duì)稱電樞繞組ax、by、cz，接成星形或三角形，主轉(zhuǎn)子是用****磁鋼制成的一對(duì)磁極。轉(zhuǎn)子位置傳感器也由定子、轉(zhuǎn)子兩部分組成。定子安裝在主電動(dòng)機(jī)殼內(nèi)，轉(zhuǎn)子和主轉(zhuǎn)子同軸旋轉(zhuǎn)。它的作用是把主轉(zhuǎn)子的位置檢測(cè)出來．變成電信號(hào)去控制電子開關(guān)電路，故也稱轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器。電子開關(guān)電路中的功率開關(guān)元件分別與主定子上各相繞組相連接．通過位置傳感器輸出的信號(hào)，控制三極管的導(dǎo)通和截止．從而使主定子上各相繞組中的電流也隨著轉(zhuǎn)子位置的改變，按一定的順序進(jìn)行切換，實(shí)現(xiàn)無接觸式的換向。
l.電機(jī)本體
元刷直流電動(dòng)機(jī)是將普通直流電動(dòng)機(jī)的定予與轉(zhuǎn)子進(jìn)行了互換。其轉(zhuǎn)子為****磁鐵，產(chǎn)生氣隙磁通：定子為電樞，由多相繞組組成。在結(jié)構(gòu)上，它與永磁同步電動(dòng)機(jī)類似。
無刷直流電動(dòng)機(jī)定子的結(jié)構(gòu)與普通的同步電動(dòng)機(jī)或感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相同．在鐵芯中嵌入多相繞組(三相、四相、五相不等)．繞組可接成星形或三角形，并分別與逆變器的各功率管相連，以便進(jìn)行合理?yè)Q相。轉(zhuǎn)子多采用釤鈷或釹鐵硼等高矯頑力、高剩磁密度的稀土料，由于磁極中磁性材料所放位置的不同．可以分為表面式磁極、嵌入式磁極和環(huán)形磁極。由于電動(dòng)機(jī)本體為永磁電機(jī)，所以習(xí)慣上把無刷直流電動(dòng)機(jī)也叫做永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)。
2．轉(zhuǎn)子位置傳感器
轉(zhuǎn)子位置傳感器是無刷直流電動(dòng)機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵部件�？筛鶕�(jù)不同的原理構(gòu)成如電磁感應(yīng)式、光電式、磁敏式等多種不同的結(jié)構(gòu)形式。其中，電磁感應(yīng)式工作可靠，維護(hù)簡(jiǎn)便，壽命長(zhǎng)．所以應(yīng)用較多。它決定著電樞各相繞組開始通電的時(shí)刻。它的作用相當(dāng)于一般直流電動(dòng)機(jī)中的電刷。改變位置檢測(cè)器產(chǎn)生信號(hào)的時(shí)刻(相位)．相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)中改變電刷在空間的位置，對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)的特性有很大的影響。
位置傳感器一般也由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。轉(zhuǎn)子是用來確定電動(dòng)機(jī)本體磁極的位置，定子的安放是為了檢測(cè)和輸出轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)。傳感器種類較多．且各具特點(diǎn)。目前在無刷直流電動(dòng)機(jī)中常用的位置傳感器有以下幾種形式。
(1)電磁式位置傳感器。是一種利用電磁效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)位置測(cè)量的傳感元件，有開口變壓器、鐵磁諧振電路、接近開關(guān)等多種形式，其中開_j變壓器使用較多。
電磁感應(yīng)式轉(zhuǎn)子位置傳感器原理如圖j 2l所示。其定子由原邊線圈與副邊線圈繞在同一鐵芯組成，轉(zhuǎn)子則由一個(gè)具有一定角度(近似電動(dòng)機(jī)的導(dǎo)通角)的導(dǎo)磁捌料組成，該導(dǎo)磁材料可由鐵氧體或硅鋼片制成。在線圈的原邊wl端輸入高頻激磁信號(hào)．在副邊線圈中感應(yīng)出耦合轉(zhuǎn)子鐵芯與定子鐵芯相對(duì)位置的輸出信號(hào)，圖中的wa經(jīng)過電子線路處理，變成與電動(dòng)機(jī)定子、轉(zhuǎn)子位置相對(duì)應(yīng)的電平信號(hào)，再經(jīng)整形處理，就得到了電動(dòng)機(jī)的換向信號(hào)。而沒有耦合轉(zhuǎn)子鐵芯的定子線圈wb、wc均無信號(hào)輸出。
電磁式位置傳感器具有輸出信號(hào)大、工作可靠、壽命長(zhǎng)、使用環(huán)境要求不高、適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和緊湊等優(yōu)點(diǎn)，但這種傳感器信噪比較低．體積較大．而且其輸出波形為交流，一般需經(jīng)整流、濾波后方可使用，因而極大地限制了其在普通情況下的應(yīng)用。
(2)磁敏式位置傳感器。磁敏傳感器利用電流的磁效應(yīng)進(jìn)行工作，所組成的位置檢測(cè)器由與電機(jī)同軸安裝、具有與電機(jī)轉(zhuǎn)子同極數(shù)的永磁檢測(cè)轉(zhuǎn)子和多只空問均勻分布的磁敏元件構(gòu)成。目前常用的磁敏元件為霍爾元件或霍爾集成電路，它們?cè)诖艌?chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生霍爾電
勢(shì)，經(jīng)整形、放大后即可輸出所需電平信號(hào)，構(gòu)成了原始的位置信號(hào)。圖5-22為霍爾集成電路及其開關(guān)型輸出特性。
為了獲得三組互差120°電角度、寬180度電角度的方波原始位置信號(hào)。需要3只在空間互差 機(jī)械角度分布霍爾元件，其中戶為電機(jī)極對(duì)數(shù)。圖5-23給出了一臺(tái)四極電動(dòng)機(jī)的霍爾位置檢測(cè)器完整結(jié)構(gòu)，3個(gè)霍爾元件hl、h2、h3在空間互差60°機(jī)械角度分布。當(dāng)永磁檢測(cè)轉(zhuǎn)子依次經(jīng)過霍爾元件時(shí)。根據(jù)極性的不同，產(chǎn)生出三相互差120°電角度、寬180°電角度的方波位置信號(hào)，它正好反映了同軸安裝的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的空間位置信息。經(jīng)整形電路和邏輯電路后，輸出6路功率電子開關(guān)的觸發(fā)信和邏輯電路號(hào)�；魻栁恢脵z測(cè)器是永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)中采用較多的一種。
(3)光電式位置傳感器和光電式位置傳感元件的結(jié)構(gòu)。這是一種利用與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子同軸安裝、帶缺口旋轉(zhuǎn)圓盤對(duì)光電元件進(jìn)行通、斷控制．以產(chǎn)生一系列反映轉(zhuǎn)子空間位置脈沖信號(hào)的檢測(cè)方式。由于三相永磁元刷直流電動(dòng)機(jī)一般每l／6周期換相一次，因此只要采用與電磁式或霍爾式位置檢測(cè)相似的簡(jiǎn)單檢測(cè)方法即可，不必采用光電編碼盤的復(fù)雜方式。簡(jiǎn)單光電元件的結(jié)構(gòu)如圖5一24所示．由紅外發(fā)光二極管和光敏三極管構(gòu)成。當(dāng)元件凹槽內(nèi)光線被圓盤擋住時(shí)，光敏三極管不導(dǎo)通：當(dāng)凹槽內(nèi)光線
由圓盤缺口放過時(shí)，光敏三極管導(dǎo)通．以此輸出開關(guān)型的位置信號(hào)。圓盤缺口弧度及光電元件空間布置規(guī)律和開口變壓器式位置檢測(cè)器相同。
除了以上3種位置傳感器外，還有正、余弦旋轉(zhuǎn)變壓器和光電編碼器等其他位置傳感元件，但成本高、體積大、線路復(fù)雜，較少采用。由于位置檢測(cè)器有機(jī)械安裝、維護(hù)及運(yùn)行可靠性等問題．因此近期來出現(xiàn)了元位置檢測(cè)器。
元位置傳感器檢測(cè)技術(shù)的成功運(yùn)用解決了位置傳感器安裝難的問題，而且減小了體積，提高了可靠性，受到了國(guó)內(nèi)外的普遍關(guān)注。目前較為常用的方法有：反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)法、續(xù)流二極管工作方式檢測(cè)法、定子三次諧波檢測(cè)法和瞬時(shí)電壓方程法等。
必須注意：通過各種方法所得到的位置信號(hào)一般不能直接用來控制功率管的通斷．往往需要經(jīng)過一定的邏輯處理后才能作用于邏輯控制單元。
3．電子換向電路
無刷直流電動(dòng)機(jī)的電子換相線路是用來控制電動(dòng)機(jī)定子繞組通電的順序和導(dǎo)通的時(shí)間。主要由功率開關(guān)管和邏輯控制電路組成．功率開關(guān)單元是核心部分．其功能是將電源的功率以一定的邏輯關(guān)系分配給無刷直流電動(dòng)機(jī)定子e的各項(xiàng)繞組，從而使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩�？刂撇糠质菍⑼ㄟ^位置檢測(cè)得到的信號(hào)．根據(jù)需要轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的脈沖信號(hào)去驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管。目前，無刷直流電動(dòng)機(jī)的主開關(guān)一般采用igbt或m0sfet等全控型器件，有些主電路已經(jīng)有了集成功率模塊(pic)和智能功率模塊(ipm)，它們的應(yīng)用可以使整個(gè)系統(tǒng)的呵靠性大幅度提高。
(=)無刷直流電動(dòng)機(jī)的類型
近年來出現(xiàn)的元刷直流電動(dòng)機(jī)，用晶體管開關(guān)電路和位置傳感器代替電刷和換向器。無刷直流電動(dòng)機(jī)的類型按晶體管開關(guān)電路的不同可分為橋式和非橋式兩種；按所使用的位置傳感器形式的不同可分為光電式、電磁式、磁敏元件式和接近開關(guān)式等。
三、無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理
在實(shí)際應(yīng)用中，永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)多采用三相橋式功率主電路形式，但為了便于說明，先從三相半橋式主電路開始分析其運(yùn)行原理。
1.三相半橋主電路
圖5-25為三相半橋式永磁無刷直流電機(jī)（p=1）三只光電式位置傳感元件h1 h2 h3 空間互差120°均勻分布，寬180°缺口遮光圓盤與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子同軸安裝，調(diào)整圓盤缺口與轉(zhuǎn)子磁極的相對(duì)位置，使缺口邊沿能反映轉(zhuǎn)子磁極的空間位置。
該缺口位置使光電元件h1受光而輸出高電平，觸發(fā)導(dǎo)通功率開關(guān)vtl使直流電流流入a相繞組ax，形成位于a相繞組軸線上的電樞磁勢(shì)。此時(shí)圓盤缺口與轉(zhuǎn)子磁極的相對(duì)位置被調(diào)整得使轉(zhuǎn)子永相繞組平面磁勢(shì)ff位于b相繞組b-x平面上所示，如圖5—26(a)所示兩者相互作用產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，驅(qū)使轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)至圖5 26(b)所示的位置時(shí)，如仍保持a相繞組通電，則電樞磁勢(shì)ff的空間角度講減為30°并繼續(xù)減小，最終造成驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩消失。然而由于同軸安裝的旋轉(zhuǎn)圓盤同步旋轉(zhuǎn)，此時(shí)正好使光電元件h2受光，h1遮光，從而功率開關(guān)vt2導(dǎo)通，電流從a相繞組斷開轉(zhuǎn)而流人b相繞組b-y，電流換相，電樞磁勢(shì)變?yōu)閒b它又在旋轉(zhuǎn)方向上重新****永磁磁勢(shì)ff150°相，兩者相互作用產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，驅(qū)使轉(zhuǎn)子順時(shí)針繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極旋轉(zhuǎn)到圖5—26(c)所示的位置時(shí)，同理又發(fā)生電樞電流從b相向c相的換流，保證了電磁轉(zhuǎn)矩的持續(xù)產(chǎn)生和電動(dòng)機(jī)的繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，直至重新回到圖5—26(d)或圖5-26(a)的起始位置。
可以看出，由于同軸安裝轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)圓盤的作用，定子各相繞組在位置檢測(cè)器的控制下依次饋電，其相電流為120°寬的矩形波，如圖5—27所示。這樣的三相電流使得定子繞組產(chǎn)生的電樞磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)動(dòng)中的轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)在空間始終能保持近似垂直的關(guān)系，為****限度地產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩創(chuàng)造了條件。同時(shí)也可以看出．經(jīng)歷換相過程的定子繞組電樞磁場(chǎng)不是勻
速旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)而是跳躍式的步進(jìn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周的范圍內(nèi)有3種磁狀態(tài)，每種狀態(tài)持續(xù)1／3周期(120。電角度)．如圖5 26中fa、fb、fc所示�？梢韵胂�，由此產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩存在很大的脈動(dòng)．尤其低速運(yùn)行時(shí)會(huì)使轉(zhuǎn)速波動(dòng)。為了解決這個(gè)問題，只有增加轉(zhuǎn)子一周內(nèi)的磁狀態(tài)數(shù)，此時(shí)應(yīng)采用三相橋式主電路結(jié)構(gòu)。
2．三相橋式主電路
三相橋式主電路如圖5一28所示，功率電子開關(guān)為標(biāo)準(zhǔn)三相橋式結(jié)構(gòu)，上橋臂元件vtl、 vt3、vt5給各相繞組提供正向電流，產(chǎn)生正向電磁轉(zhuǎn)矩；下橋臂元件vt4、vt6、vt2 給各相繞組提供反向電流，在相同極性轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)作用下將產(chǎn)生反向電磁轉(zhuǎn)矩。功率元件通電方式有兩兩通(120。導(dǎo)通型)和三三通電(180。導(dǎo)通型)，其輸出轉(zhuǎn)矩大小不同。
(1)兩兩通電方式。所謂兩兩導(dǎo)通方式是指每一瞬間有兩個(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，不同橋臂之間左右換相。每個(gè)功率管導(dǎo)通120°電角度。功率管的導(dǎo)通順序依次為：vtl、vt2；vt2、vt3；vt3、vt4；vt4
vt5；vt5、vt6；vt6、vtl．．…·在這種通電方式下各導(dǎo)通120°電角度，每個(gè)相繞組又與
兩個(gè)開關(guān)元件相連，各相繞組會(huì)在正、反兩個(gè)方向均流過120°寬的方波電流，三相繞組中電流波形如圖5—29所示。
由于任一時(shí)刻均有一個(gè)上橋臂元件導(dǎo)通使某相繞組獲得正向電流產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩，又有一個(gè)下橋臂元件導(dǎo)通使另一相繞組獲得反向電流產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩，此時(shí)的合成轉(zhuǎn)矩應(yīng)是相關(guān)相繞組通電產(chǎn)生的正、負(fù)轉(zhuǎn)矩的矢量和，如圖5—30所示�？梢钥闯觯铣赊D(zhuǎn)矩是一相通電時(shí)所產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的√3倍，每經(jīng)過一次換相合成轉(zhuǎn)矩方向轉(zhuǎn)過60°電角度。一個(gè)輸出周期內(nèi)轉(zhuǎn)矩要經(jīng)歷方向變換6次，從而使轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比三相半橋主電路時(shí)要平緩得多。
(2)三三通電方式。所謂三三導(dǎo)通方式是指每一瞬間有3個(gè)功率管導(dǎo)通，每隔l／6周期(60°）電角度)換相一次．每次換相是同一橋臂的上下管之間換相．每個(gè)功率管導(dǎo)通180°電角度。功率管的導(dǎo)通順序依次為：vtl、vt2、vt3；vt2、vt3、vt4；vt3、vt4、vt5；vt4、vt5、vt6；vt5、vt6、vtl；vt6、vtl、vt……：可見這種方式運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)周期，轉(zhuǎn)子合成驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的圖示與兩兩方式下是一致的，均為6種狀態(tài)，不同的是此時(shí)的合成轉(zhuǎn)矩的幅值是單相繞組轉(zhuǎn)矩幅值的1．5倍，這是由于三相電流同時(shí)作用的結(jié)果，電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中的轉(zhuǎn)矩矢量合成圖如圖5-31所示。
雖然三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)是應(yīng)用****泛的一種，但人們從減少轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)、擴(kuò)大單機(jī)容量等角度出發(fā)，開發(fā)出了多相電動(dòng)機(jī)，如四相、五相，甚至十相、十二相電動(dòng)機(jī)。為了提高電動(dòng)機(jī)繞組的利用率，應(yīng)采用多相同時(shí)通電運(yùn)行的方式。
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