無刷直流電機介紹

　　無刷直流電機由電動機主體和驅動器組成，是一種典型的機電一體化產品。 無刷電機是指無電刷和換向器（或集電環）的電機，又稱無換向器電機。早在十九紀誕生電機的時候，產生的實用性電機就是無刷形式，即交流鼠籠式異步電動機，這種電動機得到了廣泛的應用。但是，異步電動機有許多無法克服的缺陷，以致電機技術發展緩慢。上世紀中葉誕生了晶體管，因而采用晶體管換向電路代替電刷與換向器的直流無刷電機就應運而生了。這種新型無刷電機稱為電子換向式直流電機，它克服了第一代無刷電機的缺陷。

　　無刷直流電機工作原理

　　無刷直流電機由電動機主體和驅動器組成，是一種典型的機電一體化產品。 電動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機十分相似。電動機的轉子上粘有已充磁的永磁體 ，為了檢測電動機轉子的極性，在電動機內裝有位置傳感器。驅動器由功率電子器件和集成電路等構成，其功能是：接受電動機的啟動、停止、制動信號，以控制電動機的啟動、停止和制動；接受位置傳感器信號和正反轉信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產生連續轉矩；接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調整轉速；提供保護和顯示等等。

　　直流電機具有響應快速、較大的起動轉矩、從零轉速至額定轉速具備可提供額定轉矩的性能，但直流電機的優點也正是它的缺點，因為直流電機要產生額定負載下恒定轉矩的性能，則電樞磁場與轉子磁場須恒維持90°，這就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在電機轉動時會產生火花、碳粉因此除了會造成組件損壞之外，使用場合也受到限制。交流電機沒有碳刷及整流子，免維護、堅固、應用廣，但特性上若要達到相當于直流電機的性能須用復雜控制技術才能達到。現今半導體發展迅速功率組件切換頻率加快許多，提升驅動電機的性能。微處理機速度亦越來越快，可實現將交流電機控制置于一旋轉的兩軸直角坐標系統中，適當控制交流電機在兩軸電流分量，達到類似直流電機控制并有與直流電機相當的性能。

　　無刷直流電機特點：

　　1、可替代直流電機調速、變頻器+變頻電機調速、異步電機+減速機調速；

　　2、具有傳統直流電機的優點，同時又取消了碳刷、滑環結構；

　　3、可以低速大功率運行，可以省去減速機直接驅動大的負載；

　　4、體積小、重量輕、出力大；

　　5、轉矩特性優異，中、低速轉矩性能好，啟動轉矩大，啟動電流小；

　　6、無級調速，調速范圍廣，過載能力強；

　　7、軟啟軟停、制動特性好，可省去原有的機械制動或電磁制動裝置；

　　8、效率高，電機本身沒有勵磁損耗和碳刷損耗，消除了多級減速耗，綜合節電率可達20%~60%。

　　9、可靠性高，穩定性好，適應性強，維修與保養簡單；

　　10、耐顛簸震動，噪音低，震動小，運轉平滑，壽命長；

　　11、不產生火花，特別適合爆炸性場所，有防爆型；

　　12、根據需要可選梯形波磁場電機和正弦波磁場電機。

　　無刷直流電機的PWM調制方式介紹

　　圖1為三相無刷直流電機的驅動部分示意圖，主要包括霍爾信息的采集，以及根據霍爾信號對三相逆變器做對應的調制，三相逆變器PWM的開關順序已經PWM的占空比是調制的主要內容，不同的調制方式對BLDC的運行性能有很大影響，近年來隨著電機控制系統越來越精細，在原來常見的方波120度脈寬調制基礎上，正弦脈寬調制（SPWM）和空間矢量脈寬調制（SVPWM）出現，使電機脈動降低、電流波形畸變減小，但后兩者的算法比較復雜，本文將對三種調制方式逐一地介紹其特性、原理及計算細節。安森美半導體LC08000M芯片集成這三種調制方式，適合應用在BLDC的驅動。

　　1. 方波120度脈寬調制

　　利用霍爾值（每個電氣周期6次變化），改變UVW相電流流向，但同一霍爾值內電流流向不變，任何時刻只能一相的上橋和另一相的下橋導通，這種控制方式簡單，但存在最大60度的轉矩偏角，效率降低，同時會伴有轉動噪音。

　　圖2： Hall狀態與PWM、三相反電動勢、三相電流的對應關系

　　在上橋下橋PWM開關控制順序不同，我們可以做出下面5種模式的選裝。

　　LC08000M為了減小在換相時轉矩的波動，采用了PWM值過渡方式，這一處理能有效降低了轉動噪音。

　　圖3：LC08000M 方波120°脈寬調制的PWM與霍爾關系的對應圖

　　2. 正弦脈寬調制（SPWM）

　　疊加在MOS管的直流電壓可以通過PWM開關控制來等效成正弦電壓，由于中性點為0，因此電機的相電壓也為正弦，從而使得電機相線電流也成正弦變化規則，消除了轉矩波動。根據面積等效原理，正弦波還可以等效成PWM波。如圖5所示，通過這種方式我們不停的調整PWM的占空比來實現正弦電壓效應。

　　圖3：正弦波與PWM波的等效圖

　　正弦脈寬調制需要知道ωt的詳細值，而我們從$霍爾元件只可以讀取到60°120°180°240°360°這個6個大體的位置信息，所以我們需要從前幾次霍爾值變化的間隔時間推算出60度內的內角度。在電機靜啟動情況下，我們無法推算出內角度信息，因此啟動情況下，我們還是要采用方波120度脈寬調制方式啟動，但電機得到一個穩定轉動后，我們可以推算出內角度，就可以切換成正弦脈寬調制方式。

　　推算內角度方法：如圖6-1首先計算出每個60°需要的時間，除以PWM周期的時間可以計算出60°內PWM的次數，從而得到60°內每增加1個PWM時內角度增加的值，在加上通過霍爾值對應的大角度值就得到當前的角度;UVW三相彼此相差120°相位。

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