无刷直流电机的革新与应用

无刷直流电机的革新与运用

无刷直流电机，由电机本体与驱动系统紧密结合，代表了机电一体化技术的典范。这种电机摒弃了传统的电刷与换向器，故得名无刷电机，亦即无换向器电机。自电机问世之初，实用的无刷电机形态便以交流鼠笼式异步电动机的形式出现，其应用范围广泛。然而，异步电动机存在诸多难以克服的弊端，导致电机技术发展受限。随着晶体管的出现，以晶体管换向电路取代电刷与换向器的直流无刷电机应运而生，这种电机被誉为电子换向式直流电机，成功克服了早期无刷电机的不足。

无刷直流电机的运作奥秘

无刷直流电机由电机本体与驱动系统构成，同样是机电一体化的典型产品。电机的定子绕组通常采用三相对称的星形接法，与三相异步电动机极为相似。转子上附着有磁化的永磁体，内部配备位置传感器以检测转子极性。驱动系统由功率电子器件和集成电路等组成，负责接收启动、停止、制动信号，控制电机的启动、停止和制动；接收位置传感器信号和正反转信号，控制逆变桥功率管的通断，产生连续转矩；接收速度指令和反馈信号，控制和调整转速；以及提供保护和显示等功能。

直流电机以响应迅速、起动转矩大、从零速至额定速均能提供额定转矩而著称。然而，直流电机的这些优点也成为了缺点，因为要保持额定负载下的恒定转矩，电枢磁场与转子磁场需始终保持90°，这需要依赖碳刷及整流子。皖南电机价格表碳刷及整流子在电机运行时会产生火花和碳粉，不仅导致组件损坏，还限制了其使用环境。相比之下，交流电机无需碳刷及整流子，具有免维护、坚固耐用、应用广泛等优势，但要达到直流电机的性能，则需采用复杂的控制技术。皖南电机随着半导体技术的飞速发展，功率组件的切换频率大幅提升，微处理器的速度也越来越快，使得将交流电机控制置于旋转的两轴直角坐标系中成为可能，通过适当控制两轴电流分量，实现类似直流电机的控制效果。

无刷直流电机的卓越特性

1. 可替代直流电机调速、变频器+变频电机调速、异步电机+减速机调速；

2. 继承了传统直流电机的优点，同时去除了碳刷、滑环结构；

3. 可实现低速大功率运行，可直接驱动大型负载，无需减速机；

4. 体积小、重量轻、输出功率大；

5. 转矩特性优异，中、低速转矩性能好，起动转矩大，起动电流小皖南电机价格表；

6. 无级调速，调速范围广，过载能力强；

7. 软启动、软停止、制动特性好，可省去原有的机械制动或电磁制动装置；

8. 效率高，电机本身无励磁损耗和碳刷损耗，消除了多级减速耗，综合节电率可达20%~60%；

9. 可靠性高，稳定性好，适应性强，维护保养简单；

10. 耐震动，噪音低，震动小，运转平滑，寿命长；

11. 不产生火花，特别适合爆炸性场所，有防爆型；

12. 可根据需求选择梯形波磁场电机和正弦波磁场电机。

无刷直流电机的PWM调制技术

图1展示了三相无刷直流电机的驱动部分示意图，主要包括霍尔信息的采集，以及根据霍尔信号对三相逆变器进行相应的调制。调制方式主要涉及三相逆变器PWM的开关顺序和占空比，不同的调制方式对BLDC的运行性能有显著影响。近年来，随着电机控制系统的日益精细化，在传统的方波120度脉宽调制基础上，正弦脉宽调制（SPWM）和空间矢量脉宽调制（SVPWM）应运而生，有效降低了电机脉动和电流波形畸变，但后两者的算法相对复杂。本文将逐一介绍这三种调制方式的特性、原理及计算细节。安森美半导体LC08000M芯片集成了这三种调制方式，适用于BLDC的驱动。

1. 方波120度脉宽调制

通过霍尔值（每个电气周期6次变化）改变UVW相电流流向，但同一霍尔值内电流流向不变，任何时刻只能一相的上桥和另一相的下桥导通。这种控制方式简单，但存在*大60度的转矩偏角，导致效率降低，并伴有转动噪音。

2. 正弦脉宽调制（SPWM）

通过PWM开关控制，将叠加在MOS管的直流电压等效成正弦电压，使电机相电压和相线电流均呈正弦变化，消除转矩波动。根据面积等效原理，正弦波还可等效为PWM波。通过不断调整PWM的占空比，实现正弦电压效应。

3. 推算内角度方法

首先计算出每个60°需要的时间，除以PWM周期的时间，计算出60°内PWM的次数，从而得到60°内每增加1个PWM时内角度增加的值，加上通过霍尔值对应的大角度值，得到当前的角度。安徽皖南电机 UVW三相彼此相差120°相位。