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无刷直流电动机

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  • 发布时间:2017/7/13 16:54:51
  • 作者:ly_yinhe
定义
  《GB/T 2900.27-2008 电工术语 小功率电动机》定义:无刷直流电动机是指没有电刷和机械换向器,借助转子位置检测信号,控制各相绕组进行电子换向的电动机。
  《GB/T 2900.26-2008 电工术语 控制电机》定义:无刷直流电动机是指驱动电流为矩形方波的永磁无刷电动机。
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无刷直流电机原理
  无刷直流电动机绕组内通的是方波电流,故又称为方波驱动无刷直流电动机,以区别正弦波驱动无刷电动机(也称永磁交流伺服电动机)。它是用电子开关换向电路取代了传统电刷和换向器的直流电动机。电子电路换向的原理是:位置传感器感知转子位置,通过逻辑电路,使功率开关管通、断相应绕组的电流而实现换向,最终电枢磁场与励磁磁场接近正交 90°电角度,从而获得最大转矩。位置传感器有很多种,常用的有霍尔型位置传感器、光电式位置传感器和磁感应式位置传感器等。
  还有一种利用不通电相绕组反电动势检测转子位置的无位置传感器无刷直流电动机。它的优点是简单、方便、可靠,缺点是静止时无位置信号,需要增加起动电路(现在常见的应用技术是在微控制器MCU芯片上用软件来完成起动)。
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无刷直流电机结构
  结构上,无刷直流电机为了实现电子换向,常将电枢绕组布置在定子上,一般为三相星形绕组(也有多相绕组),并多采用霍尔型位置传感器。霍尔型位置传感器的优点是体积小、易安装,同电枢绕组一起安装在定子上即可。而光电式位置传感器、磁感应式位置传感器都必须由固定部分和转动部分组成,安装较繁琐,通常只在大功率无刷直流电动机中采用。由永磁体粘接成的多对磁极,则布置在转子上,运行时磁极相对于定子旋转,对定子上的电枢绕组实施换向。
  控制定子绕组换向的电子装置称为控制器,也称逆变器,因它能将供电动机的直流电转换为方波脉冲电,即将无刷直流电动机等效成交流同步电动机。其电路主要由位置传感器、开关逻辑电路、功率驱动器件等组成。目前,无刷直流电动机主要采用 PWM(脉宽调制)控制方式,即通电脉冲频率固定、重复周期不变,仅改变方波脉冲的占空比。因此,控制器中还有脉冲发生器和脉冲占空比调节电路。用这种方式调压、调速不仅方便,而且效率也很高。
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无刷直流电机应用
  无刷直流电动机的优点是运行可靠、维护简单、寿命长、无换向火花、不产生无线电干扰等。其中,无刷直流力矩电动机还具有低转速、大转矩、可在堵转条件下工作、转矩波动小的优点,常在自动控制系统中作伺服驱动用,所以又叫无刷直流伺服电动机。随着电机电子技术的发展,无刷直流伺服电动机有逐渐取代有刷直流伺服电动机的趋势。
  基于PWM的无刷直流电动机通过调节脉冲占空比的方法来改变电动机端脉冲电压的平均值,可方便地实现电动机的转速和堵转电流大小的调节。脉冲占空比小,电动机端电压平均值低,电动机转速低,堵转电流小;脉冲占空比大,电动机端电压平均值高,电动机转速高,堵转电流大。值得注意的是,这种控制方式与纯直流线性电源控制方式不一样。
  采用纯直流线性电源控制方式的电动机绕组内、外电流完全一样,绕组堵转电流的大小通过外部电流表便可准确监测。采用PWM控制方式的电动机,受绕组电感的影响,在每一个脉冲到来时,电流还未上升至最大值(由于绕组的直流电阻较小,此时已有足够大的电流),脉冲便终止了,绕组内的电流靠并联在两端的续流二极管续流,直到下一个脉冲到来。这就造成了基于PWM的无刷直流电动机绕组内、外电流不一样:电源端(逆变器前),为脉冲高压小电流;绕组内,为直流低压大电流。外部脉冲高压小电流可用磁电系电流表近似测得,但这个电流不直接与电动机堵转转矩发生关系,只有间接关系。内部直流低压大电流直接和电动机堵转转矩关联,但又不便于测得。相关标准中规定的连续堵转电流、峰值堵转电流,均是指绕组内电流。
  实践中,操作者一般容易将外部脉冲电流误认为绕组内纯直流。如果将外部电流加至规定的堵转电流,就会使流过绕组的实际电流大大超过允许值,由此造成电机损坏。

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