直流无刷电机原理及其数字化控制发展方向

引言

 

无刷直流电机是最近发展起来的融合了多学科技术的一种新型电机，具有高速度、高效率、
高动态响应、高热容量和高可靠性等优点，同时还具有低噪声和长寿命以及低成本等特点。
近年来，随着新材料技术的进步，无刷直流电机得到了迅速的发展，其功率覆盖等级也越
来越大。目前无刷电机已广泛应用于各种领域，如医疗仪器、分析仪器、材料处理、过程控制、
机床工业、纺织工业和轻工机械等。小功率无刷直流电机主要应用于工厂自动化和办公自动
化方面，如计算机外设、复印机和家用电器中，它正在迅速取代传统的直流电机和异步电机。
 
1．直流无刷电机的结构和工作原理 
直流无刷电机与传统的直流电机相比，从结构上看主要区别在于：用装有永磁体的转子取
代有刷直流电机的定子磁极；用具有多相绕组的定子取代电枢；用由固态逆变器和轴位置
检测器组成的电子换向器取代机械换向器和电刷。因此，直流

 

无刷电机一般由永磁电机本体、逆变器和转子位置传感器组成，

 

1．1 电动机本体 
电动机本体通常由永磁同步电机构成。其转子采用永久磁铁励磁。由于转子磁场的几何形状
不同，使得转子磁场在空间的分布为正弦波和梯形波两种。对于正

 

弦波直流无刷电机，希望在绕组中获得正弦波形式的反电势，其绕组形式采用短

 

距、分布或分数形式，以尽可能削弱其它次谐波，从而保留基波。而方波直流无刷电机为了
获得顶宽为

120 度的方波或梯形波，定子绕组采用整距、集中的形式，以保留磁密中的其它

谐波。电动机本体首先必须满足电磁方面的要求，保证在工作气隙中产生足够的磁通，电枢
绕组允许通过一定的电流，以便产生一定的电磁转矩；其次要满足机械方面的要求，保证
机械机构牢固和稳定，能传送一定的转矩，并能经受住一定环境条件的考验。

 

1．2 逆变器 
逆变器的作用是将位置传感器检测到的转子位置信号进行处理，按一定的逻辑

 

代码输出，去触发末级功率开关管。与一般逆变器不同，它的输出频率不是独立调节的，而
受控于转子位置检测信号，是一个

“自控式逆变器”。直流无刷电机由于采用了自控式逆变器，

电机输入电流的频率和电机转速始终保持同步，电机和逆变器输出之间不会产生振荡和失
步。这也是直流无刷电机的重要优点之一。

 

1．3 转子位置传感器 
位置传感器在直流无刷电机中起着测定转子磁极位置的作用，为逆变器提供正

 

确的换相信息。位置传感器与电机同轴安装，由于逆变器的导通次序是与转子转角同步的，
因而与逆变器一起，起着与直流有刷电机的机械换相相类似的作用。位置传感器种类较多，
特点各异。目前，直流无刷电机系统的位置传感器多为电磁式、光电式和磁敏式。

 

2． 直流无刷电机的控制 
直流无刷电机的运行原理和有刷直流电机基本相同，但是它用转子位置传感器

 

代替电刷，依靠转子位置传感器检测出转子的位置信号，通过换相驱动电路驱动与电枢绕