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无刷直流电机(BLDC)构成、应用领域及工作原理详解

时间:2023-12-23 17:20:01 来源:博亿堂byt98网址登陆 点击:1次

  无刷直流电机(BLDC)是永磁式同步电机的一种,而并不是真正的直流电机,英文简称BLDC。区别于有刷直流电机,无刷直流电机不用机械的电刷装置,采用方波自控式永磁同步电机,以霍尔传感器取代碳刷换向器,以钕铁硼作为转子的永磁材料,性能上相较一般的传统直流电机有很大优势,是当今最理想的调速电机。

  直流电机以良好的启动性能、调速性能等优点著称,其中属于直流电机一类的有刷直流电机采用机械换向器,使得驱动方法简单,其模型示意图如下图所示。

  电机主要由永磁材料制造的定子、绕有线圈绕组的转子(电枢) 、换向器和电刷等构成。只要在电刷的A和B两端通入一定的直流电流, 电机的换向器就会自动改变电机转子的磁场方向,这样,直流电机的转子就会持续运转下去。

  BLDC电机中的“BL”意为“无刷”,就是DC电机(有刷电机)中的“电刷”没有了。

  无刷直流电机(BLDC)以电子换向器取代了机械换向器,所以无刷直流电机既具有直流电机良好的调速性能等特点,又具有交流电机结构相对比较简单、无换向火花、运行可靠和易于维护等优点。

  无刷直流电机主要由用永磁材料制造的转子、带有线圈绕组的定子和位置传感器(可有可无)组成。可见,它和直流电机有着很多共同点,定子和转子的结构差不多(原来的定子变为转子,转子变为定子),绕组的连线也基本相同。但是,结构上它们有一个明显的区别:无刷直流电机没有直流电机中的换向器和电刷,取而代之的是位置传感器。这样,电机结构就相对简单,降低了电机的制造和维护成本,但无刷直流电机不能自动换向(相),牺牲的代价是电机控制器成本的提高(如同样是三相直流电机,有刷直流电机的驱动桥需要 4 只功率管,而无刷直流电机的驱动桥则需要 6 只功率管)。

  图1所示为其中一种小功率三相、星形连接、单副磁对极的无刷直流电机,它的定子在内,转子在外。另一种无刷直流电机的结构和这种刚刚相反,它的定子在外,转子在内,即定子是线圈绕组组成的机座,而转子用永磁材料制造。

  无刷直流电机的外特性好,能够在低速下输出大转矩,使得它能够给大家提供大的起动转矩;

  无刷直流电机的再生制动效果好,由于它的转子是永磁材料,制动时电机能进入发电机状态;

  无刷直流电机无机械换向器,采用全封闭式结构,可以有效的预防尘土进入电机内部,可靠性高;

  无刷直流电机的定子是线圈绕组电枢,转子是永磁体。如果只给电机通以固定的直流电流,则电机只能产生不变的磁场,电机不能转动起来,只有实时检测电机转子的位置,再根据转子的位置给电机的不同相通以对应的电流,使定子产生方向均匀变化的旋转磁场,电机才可以跟着磁场转动起来。

  如图2所示为无刷直流电机的转动原理示意图,为了方便描述,电机定子的线圈中心抽头接电机电源 POWER,各相的端点接功率管,位置传感器导通时使功率管的 G极接 12V,功率管导通,对应的相线圈被通电。由于三个位置传感器随着转子的转动,会依次导通,使得对应的相线圈也依次通电,从而定子产生的磁场方向也不断地变化,电机转子也跟着转动起来,这就是无刷直流电机的基本转动原理——检测转子的位置,依次给各相通电,使定子产生的磁场的方向连续均匀地变化。

  为了方便理解,本文以下内容统一用如下图所示的这两种符号作为模型简介,图 A为电机转子和定子在同一圆心上,图B 为不同一圆心上,是为了方便说明电机内部磁场。

  电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法,同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体 ,为经验测试电动机转子的极性,在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成,其功能是:接受电动机的启动、停止、制动信号,以控制电动机的启动、停止和制动;接受位置传感器信号和正反转信号,用来控制逆变桥各功率管的通断,产生连续转矩;接受速度指令和速度反馈信号,用来控制和调整转速;提供保护和显示等等。

  直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能,但直流电机的优点也正是它的缺点,因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩的性能,则电枢磁场与转子磁场须恒维持90°,这就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉因此除了会造成组件损坏之外,使用场合也受到限制。交流电机没有碳刷及整流子,免维护、坚固、应用广,但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技术才能达到。现今半导体发展迅速功率组件切换频率加快许多,提升驱动电机的性能。微处理机速度亦慢慢的变快,可实现将交流电机控制置于一旋转的两轴直角坐标系统中,适当控制交流电机在两轴电流分量,达到类似直流电机控制并有与直流电机相当的性能。

  此外已有很多微处理机将控制电机必需的功能做在芯片中,而且体积越来越小;像模拟/数字转换器(analog-to-digital converter,adc)、脉冲宽度调制(pulse wide modulator,pwm)…等。直流无刷电机即是以电子方式控制交流电机换相,得到类似直流电机特性又没有直流电机机构上缺失的一种应用。

  1.按驱动波形:方波驱动,这种驱动方式实现方便,易于实现电机无位置传感器控制;

  2.正弦驱动:这种驱动方式能改善电机运行效果,使输出力矩均匀,但实现过程相对复杂。同时,这种方法又有 SPWM 和 SVPWM(空间矢量 PWM)两种方式,SVPWM的效果好于 SPWM。

  这是无刷直流电机普及最广、数量最大的领域。比如在生活中常见的打印机、传真机、复印机、硬盘驱动器、软盘驱动器、电影摄影机、磁带记录仪等,在它们的主轴和附属运动的带动控制中,都有无刷直流电机的身影。

  近些年,由于无刷直流电机大规模的研发和技术的逐渐成熟,其驱动系统在工业生产里的分布范围也随之扩大,已逐步成为工业用电动机的发展主流。围绕降低生产所带来的成本和提高运行效率而展开的研究与尝试已取得显著的效益,各大厂商也提供不相同的型号的电机以满足多种驱动系统的需求。现阶段在纺织、冶金、印刷、自动化生产流水线、数字控制机床等工业生产方面,无刷直流电机都有涉猎。

  在国外,对无刷直流电机的使用已经较为普遍,可拿来驱动人工心脏中的小型血泵;在国内,手术用高速器具的高速离心机、热像仪和测温仪的红外激光调制器都使用了无刷直流电机。

  据分析在市面上,一般的家用轿车需要永磁电机 20-30 个,而每辆豪华轿车则需要59个之多,除了核心发动机外,在雨刷器、电动车门、汽车空调、电动车窗等部位都有电机的身影。随着汽车工业向着节能环保的方向发展,所使用的电机也一定要满足高效率、低能耗的标准。而无刷直流电机的低噪声、寿命长、无火花干扰、方便集中控制等优点全部符合,随着其调速技术的日益成熟,性价比会慢慢的高,它在汽车电机驱动的所有的环节中的应用会更加广泛。

  “变频”技术已非常普遍,作为中国家电的标志逐渐占据了大部分的消费市场,“直流变频”受到制造商的青睐,已有逐渐替换掉“交流变频”的转变趋势。这种转变实质上就是家电所用的电动机由感应电动机向无刷直流电机及其控制器的过渡,以达到节能环保、低噪智能、舒适性高的要求。无刷直流电机的发展趋势与电力电子、传感器、控制理论等技术的发展趋势相同,它是多种技术相结合的产物,它的发展取决于与之相关的每一种技术的革新与进步。

  关键字:编辑:什么鱼 引用地址:无刷直流电机(BLDC)构成、应用领域及工作原理详解

  电机的种类划分非常多,往往让人难以具体区分。像伺服电机就有永磁同步伺服和感应伺服,有直流伺服有交流伺服……让我们来给电机家族做个人口普查吧! 众所周知,电机是传动以及控制管理系统中的重要组成部分,随着现代科学技术的发展,电机在实际应用中的重点慢慢的开始从过去简单的传动向复杂的控制转移;尤其是对电机的速度、位置、转矩的精确控制。但电机根据不同的应用会有不同的设计和驱动方式,咋看下好像选型很复杂,因此为了人们根据旋转电机的用途,进行了基本的分类。下面我们将逐步介绍电机中最有代表性、最常用、最基本的电机——控制电机和功率电机以及信号电机。   控制电机 控制电机主要是应用在精确的转速、位置控制上,在控制管理系统中作为

  程序和电路参考的是下面这本书。程序是在这本书的基础上自己改的,电路的话基本上就是这本书的电路了。 反电势过零是采用的比较器的方式(最简单的方法了); 启动就是三段式启动,原理看上去很简单,但是实现起来还是花了点时间,因为这也是我第一次弄无感,全靠自己摸索,也没人问。最重要的是调试,因为这个涉及到开环启动,所以启动时的换向时间实际是自己设置的,所以要不断的试,试过很多次后大概就了解这一个规律了。 其实我觉得最重要的部分就是启动了,只要能启动得起来,那么就跟有霍尔的也没啥大区别了。 无感方波BLDC视频:

  控制 /

  本文描述了一种在直流照明系统中驱动LED的新方法,这种方法能提供95%的效率、更长的常规使用的寿命以及更高的抗电气和机械冲击力,同时对采用ZXSC300系列DC-DC控制器的实际电路设计进行了计算和分析。 作为卤素灯低压照明的一种替代技术,LED照明日益流行。与卤素灯泡不同的是,LED没有效率低、可靠性差以及常规使用的寿命短等问题的困扰。本文描述了一种在直流照明系统中驱动大功率LED的新方法,这种解决方案能提供95%的效率、更长的常规使用的寿命,并能承受更高的电气和机械冲击。 图1:使用降压模式DC-DC转换器的LED驱动。 在图1所示的电路中,ZXSC300系列DC-DC控制器驱动以降压模式工作的外部

  摘要: 本文提出直接采用C504嵌入式单片机的永磁直流无刷电机数字式控制器的方案,并在电动自动车中得到了应用,取得了良好的实验效果。     关键词: 单片机  无刷电机  数字式  控制器 一、概述 永磁直流无刷电机(PM-BLDC),由于其固有的许多特点,再加上我国稀土资源丰富,被众多电机专家觉得是21世纪的新型换代产品。随着半导体集成电路,电力电子器件,控制原理和稀土材料工业的发展,能预见这种产品必然会逐步取代传统结构的交流电动机加变频调速器的模式。 目前见到的文献中,控制器一般都采用Motorola公司的MC33035,MicroLinear公司的ML4425/4428或采用通用的PW

  引言 二十一世纪的头一个十年就快悄悄过去了,但人们所热望的电气交通时代却并没有如期而至。在诸多由政府主导、企业和研究机构热情参加的电动车计划如PNGV、Freedom CAR 、PREDIT111在轰隆的引擎声中落幕时人们开始意识到:传统汽车产业的巨大惯性和强大生命力远超于了他们的想象,在未来相当长的一段时间内,电动汽车还只能停泊在实验室。 现在,纯电动汽车的应用研究转向了以公交车为主的定点、定向运行车辆和社区用车及特定用途的微型车。这类车辆具有一些共同的特点,比如都是由机构管理,在特定区域运行,车速不高。我们大家可以针对这些特点对车辆的设计和管理来优化,以减少相关成本和提高性能,抗衡传统内燃机型汽车,还有一点

  系统的应用 /

  电机在我们日常生活中的几乎每个部分都发挥着作用。它们驱动洗碗机和洗衣机,使室内变得凉爽,并且对于现代交通工具更是必不可少。无刷直流(BLDC)电机已成为许多匀速或变速的高可靠性中高档系统的选择。借助几个霍尔效应传感器和一个控制器,BLDC电机变得相对容易控制。如今,BLDC电机系统已十分常见,但是,大多数系统仍使用传感器来控制电机。为降低BLDC系统的成本并提高可靠性,许多设计人员希望除去传感器。无传感器系统已出现相当长一段时间,但在过去,它们需要昂贵的控制器才能运行除去传感器所需的算法。数字信号控制器(DSC)(例如 Microchip 的dsPIC33FJ16MC102,批量订购时,单价仅约1美元)使无传感器BLDC电机控制得

  摘要:介绍了应用于光伏水泵系统中的直流无刷电机及其操控方法,利用定子绕组反电势信号,用Motorola公司的MC68HC908JK3ECP单片机实现了对直流无刷电机的控制。实验证明,过零点识别电路简单有效,三段式起动适用于光伏水泵系统。 关键词:光伏水泵系统;直流无刷电机;反电势;过零点识别电路;三段式起动 引言 近年来,随着电力电子器件及控制理论的迅速发展,永磁直流无刷电机以其高效性,良好的调速性,易于维护性而得到了广泛的应用。传统的永磁直流无刷电机往往采用位置传感器来确定转子的位置,这不仅增大了电机的安装体积,增加了成本,而且降低了电机的可靠性。目前,无传感器直流无刷电机一般都会采用三段式起动方式,起动转矩在开始起动时比较小

  由已知电源功率计算LED的数量 例:额定输出功率为10W电源,使用额定的正向电流20mA,耗散功率为70mW条件下可配置多少个LED? 依以上公式 (即取所得数据的整数) 1:对于恒压驱动方式: 由已知的输出电源电压计算每支路串联LED数量及并联支路数 (1)计算每条支路的LED个数 (2)计算并联支路数 注:VLED值依不同发光颜色各有不同,用稳压电源驱动LED时,为了控制电流,常常要串联电阻器. 例:一个额定输出电压为DC 24V,功率为10W电源,使用额定正向电流20mA,耗散功率为70mW额定的正向电压为1.8V.可配置多少个LED呢? (取所得数据的整数)

  (第2版)

  与实现 第二版 郭炜

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