直流电机原理及应用概述

 

运动控制系统是以机械运动的驱动设备──电机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子器件及功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。这类系统控制电机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动控制的运动要求。可以看出，控制技术的发展是通过电机实现系统的要求，电机的进步带来了对驱动和控制的要求。电机的发展和控制、驱动技术的不断成熟，使运动控制经历了不同的发展阶段。

 

嵌入式系统设计人员在电子应用初期就采用电磁控制电路，为电机、继电器、螺线管和扬声器提供激励，但现今的运动控制技术则更加复杂，因为系统要求多个电机或制动器之间的协调实现精确运动。设计师通常选用直流电机或步进电机作精密运动控制。可以将每种类型电机用于开环情况下，或使用电机自身反馈或设备中其它部分的反馈，以保证精度。每种类型的电机都有无数种变体，它们有各自的优点、缺点以及最适宜的应用。

 

　　步进电机是最流行的运动控制设备之一，因为它们能够以非连续的步长进行运动，产生精确的角度位置信息，也相对比较容易控制。步进电机的转子由按照串联电极排列的永磁体构成，它们决定了每步的大小。定子中含有多个绕组，产生的磁场与转子的永磁体之间产生互相作用。控制电路产生的一个脉冲序列使定子绕组的电源接通和中断，电机便产生正向或反向旋转。定子脉冲序列反向就会改变旋转方向，而由脉冲的频率控制旋转速度。要使一个步进电机旋转，必须不断地使绕组通电和断电。反之，如果一个绕组持续给予能量，则电机会停止旋转，通过保持力矩使之维持在某个角度位置上。

 

　　直流电机也得到了广泛的应用，也可精确地控制旋转速度或转矩。直流电机是通过两个磁场的互作用产生旋转。定子通过永磁体或受激励电磁铁产生一个固定磁场，转子由一系列电磁体构成，当电流通过其中一个绕组时会产生一个磁场。对有刷直流电机而言，转子上的换向器和定子的电刷在电机旋转时为每个绕组供给电能。通电转子绕组与定子磁体有相反极性，因而相互吸引，使转子转动至与定子磁场对准的位置。当转子到达对准位置时，电刷通过换向器为下一组绕组供电，从而使转子维持旋转运动。

 

　　电机的速度与施加的电压成正比，输出转矩则与电流成正比。对直流电机的控制是一个挑战，因为必须在工作期间改变直流电机的速度。直流电机高效运行的最常见方法是施加一个 PWM（脉宽调制）方波，其通-断比率对应于所需速度。电机起到一个低通滤波器作用，将 PWM 信号转换为有效直流电平。PWM 驱动信号很常用，因为使用微处理器的控制器很容易产生 PWM 信号。虽然用精确的脉冲宽度可以调节电机的速度，实际应用中的 PWM 频率却是可变的，设计师应对其进行优化，以防止电机颤抖，发出耳朵听得到的噪声和 RFI。如要使直流电机反转，必须转换电机中电流的方向，为此，大多数设计师采用排列成 H 型的4个开关装置。

 

　　直流电机的一个最常见变体可以消除电致噪声，电刷也易于维护，但牺牲了控制器的简单性。无刷直流电机基本上是一个同步电机，转子采用永磁体，定子使用绕组。定子绕组排列成三相 Y 型连接，具有不规则四边形的转矩特性。通电后的定子绕组会产生电磁极性，吸引转子，产生转矩。当在定子相位上施加合宜顺序的电压时，就可以在定子上建立并维持一个旋转磁场。定子电流必须与转子磁场同步才能产生转矩。大多数无刷直流电机采用霍尔效应传感器来读取电机的旋转位置，使控制器以合适的顺序切换三个绕组相位的通断，从而产生旋转运动。

 无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。 

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，为了检测电动机转子的极性，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。 

由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会象变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。 

中小容量的无刷直流电动机的永磁体，现在多采用高磁能积的稀土钕铁硼（Nd-Fe-B）材料。因此，稀土永磁无刷电动机的体积比同容量三相异步电动机缩小了一个机座号。 

近三十年来针对异步电动机变频调速的研究，归根到底是在寻找控制异步电动机转矩的方法，稀土永磁无刷直流电动机必将以其宽调速、小体积、高效率和稳态转速误差小等特点在调速领域显现优势。 



无刷直流电机因为具有直流有刷电机的特性,同时也是频率变化的装置,所以又名直流变频,国际通用名词为BLDC.无刷直流电机的运转效率,低速转矩,转速精度等都比任何控制技术的变频器还要好,所以值得业界关注.本产品已经生产超过55kW,可设计到400kW,可以解决产业界节电与高性能驱动的需求。