直流無刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用論文.doc

.直流無刷電動(dòng)機(jī)原理技術(shù)應(yīng)用一，直流無刷電動(dòng)機(jī)與直流有刷電動(dòng)直流有刷電機(jī)和無刷電機(jī)的區(qū)別是是否配置有常用的電刷-換向器。有刷直流電機(jī)的換向一直是通過石墨電刷與安裝在轉(zhuǎn)子上的環(huán)形換向器相接觸來實(shí)現(xiàn)的。而直流無刷電機(jī)則通過霍爾傳感器把轉(zhuǎn)子位置反饋回控制電路，使其能夠獲知電機(jī)相位換向的準(zhǔn)確時(shí)間。大多數(shù)無刷電機(jī)生產(chǎn)商生產(chǎn)的電機(jī)都具有三個(gè)霍爾效應(yīng)定位傳感器。由于無刷電機(jī)沒有電刷，故也沒有相關(guān)接口，因此更干凈，噪聲更小，事實(shí)上無需維護(hù)，壽命更長(zhǎng)。二，直流無刷電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)直流無刷驅(qū)動(dòng)器包括電源部及控制部如圖 (1) ：電源部提供三相電源給電機(jī)，控制部則依需求轉(zhuǎn)換輸入電源頻率。電源部可以直接以直流電輸入(一般為24V)或以交流電輸入(110V/220 V)，如果輸入是交流電就得先經(jīng)轉(zhuǎn)換器(converter)轉(zhuǎn)成直流。不論是直流電輸入或交流電輸入要轉(zhuǎn)入電機(jī)線圈前須先將直流電壓由換流器(inverter)轉(zhuǎn)成3相電壓來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。換流器(inverter)一般由6個(gè)功率晶體管(Q1Q6)分為上臂(Q1、Q3、Q5)/下臂(Q2、Q4、Q6)連接電機(jī)作為控制流經(jīng)電機(jī)線圈的開關(guān)?？刂撇縿t提供PWM(脈沖寬度調(diào)制)決定功率晶體管開關(guān)頻度及換流器(inverter)換相的時(shí)機(jī)。直流無刷電機(jī)一般希望使用在當(dāng)負(fù)載變動(dòng)時(shí)速度可以穩(wěn)定于設(shè)定值而不會(huì)變動(dòng)太大的速度控制，所以電機(jī)內(nèi)部裝有能感應(yīng)磁場(chǎng)的霍爾傳感器(hall-sensor)，作為速度之閉回路控制，同時(shí)也作為相序控制的依據(jù)。但這只是用來做為速度控制并不能拿來做為定位控制?？刂圃硪岆姍C(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來，首先控制部就必須根據(jù)hall-sensor感應(yīng)到的電機(jī)轉(zhuǎn)子目前所在位置，然后依照定子繞線決定開啟(或關(guān)閉)換流器(inverter)中功率晶體管的順序，inverter中之AH、BH、CH(這些稱為上臂功率晶體管)及AL、BL、CL(這些稱為下臂功率晶體管)，使電流依序流經(jīng)電機(jī)線圈產(chǎn)生順向(或逆向)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子的磁鐵相互作用，如此就能使電機(jī)順時(shí)/逆時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到hall-sensor感應(yīng)出另一組信號(hào)的位置時(shí)，控制部又再開啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)電機(jī)就可以依同一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)直到控制部決定要電機(jī)轉(zhuǎn)子停止則關(guān)閉功率晶體管(或只開下臂功率晶體管)；要電機(jī)轉(zhuǎn)子反向則功率晶體管開啟順序相反。晶體管的開法基本上功率晶體管的開法可舉例如下：AH、BL一組AH、CL一組BH、CL一組BH、AL一組CH、AL一組CH、BL一組， 但絕不能開成AH、AL或BH、BL或CH、CL。此外因?yàn)殡娮恿慵傆虚_關(guān)的響應(yīng)時(shí)間，所以功率晶體管在關(guān)與開的交錯(cuò)時(shí)間要將零件的響應(yīng)時(shí)間考慮進(jìn)去，否則當(dāng)上臂(或下臂)尚未完全關(guān)閉，下臂(或上臂)就已開啟，結(jié)果就造成上、下臂短路而使功率晶體管燒毀。三，直流無刷電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用無刷直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用現(xiàn)在，由于市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)，面向3a(工業(yè)自動(dòng)化、辦公自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化)，永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的功率覆蓋范圍早已突破微電機(jī)功率界限，從瓦級(jí)到數(shù)十千瓦主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：1在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、辦公自動(dòng)化設(shè)備、數(shù)碼電子消費(fèi)品中的應(yīng)用從數(shù)量上說，這是無刷直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用最多的領(lǐng)域，其地位已不可取代。例如：數(shù)字打印機(jī)，軟盤驅(qū)動(dòng)器，硬盤驅(qū)動(dòng)器，cd rom和dvdrom等光盤驅(qū)動(dòng)器，傳真機(jī)，復(fù)印機(jī)，磁帶記錄儀，電影攝影機(jī)，高保真錄音機(jī)和電唱機(jī)等，它們主軸和附屬運(yùn)動(dòng)的控制等都需要用到無刷直流電動(dòng)機(jī)。無刷直流風(fēng)機(jī)也在計(jì)算機(jī)外設(shè)、辦公自動(dòng)化設(shè)備以及其他自動(dòng)化儀器設(shè)備中獲得廣泛應(yīng)用大量擠占了原來交流異步風(fēng)機(jī)的市場(chǎng)。目前，在it領(lǐng)域，例如軟盤、硬盤和光盤驅(qū)動(dòng)器、dvd和cd主軸驅(qū)動(dòng)器使用的無刷直流電動(dòng)機(jī)由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，大規(guī)模生產(chǎn)，價(jià)格已經(jīng)大大降低了。2在工業(yè)驅(qū)動(dòng)和伺服控制中的應(yīng)用同步型永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)的伺服控制器部分，除開關(guān)管脈寬調(diào)制(pwm)功率電路外，還包括有專用集成電路或者微處理器對(duì)電動(dòng)機(jī)速度、電流環(huán)進(jìn)行控制、進(jìn)行各種失常情況的保護(hù)和故障自診斷。這種新型電動(dòng)機(jī)的典型應(yīng)用如火炮、雷達(dá)等軍事裝備控制，數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床的伺服控制，機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服控制等。20世紀(jì)90年代以來，在高精度的機(jī)床數(shù)控設(shè)備進(jìn)給伺服控制中相當(dāng)多地采用了同步型永磁交流伺服電機(jī)，取代寬調(diào)速的直流伺服電動(dòng)機(jī)的勢(shì)頭強(qiáng)勁。近年來在新一代數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服控制中采用永磁交流直線伺服電動(dòng)機(jī)，采用同步永磁交流伺服電機(jī)代替變頻異步電機(jī)作為機(jī)床的主軸直接驅(qū)動(dòng)以提高數(shù)控機(jī)床快速性和加工效率，也已成為新的研究和應(yīng)用熱點(diǎn)。在軍用和工業(yè)用機(jī)器人和機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)中，無刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用相當(dāng)廣泛。目前全世界機(jī)器人的擁有量已經(jīng)超過100萬臺(tái)，且每年以大于20的速度增長(zhǎng)，這已經(jīng)成為無刷直流電動(dòng)機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域之 。大功率無刷直流電動(dòng)機(jī)(一般采用晶閘管作為功率器件，習(xí)慣上稱為元換向器電動(dòng)機(jī))在低速、環(huán)境惡劣和有一定調(diào)速性能要求的場(chǎng)合有著廣泛的應(yīng)用前景，如鋼廠的軋機(jī)、水泥窯傳動(dòng)、抽水蓄能等。近年出現(xiàn)的最新一代電梯無齒輪曳引機(jī)，是以同步永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，磁場(chǎng)定向矢量控制和快速電流跟蹤控制的電梯驅(qū)動(dòng)裝置，它和有齒輪傳動(dòng)的直流曳引機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)的交流曳引機(jī)相比有更優(yōu)異控制勝能，高效率，低噪聲，小體積，輕質(zhì)量，迅速被國(guó)際知名電梯公司董視，紛紛開發(fā)出自己的無齒輪曳引機(jī)電梯，并將其推向高端市場(chǎng)。 此外，同步永磁交流伺服電機(jī)在紡織機(jī)械、印刷機(jī)械、包裝機(jī)械、冶金機(jī)械、郵政機(jī)械、自動(dòng)化流水生產(chǎn)線等各種專用設(shè)備有廣泛的應(yīng)用。 3在汽車產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用 據(jù)美國(guó)市場(chǎng)調(diào)查分析，在每輛豪華轎車中，需永磁電機(jī)59只，一般轎車中也需2030只。另一方面汽車節(jié)能日漸受到重視，現(xiàn)代汽車要求使用的電機(jī)改善性能和提高效率，要扁平盤式結(jié)構(gòu)，以減小空間，提高出力，消除火花干擾，降低噪音，延長(zhǎng)壽命，便于集中控制，這正是無刷電機(jī)的特長(zhǎng)。預(yù)計(jì)，汽車用的有刷電機(jī)將不斷被永磁無刷電機(jī)所替代。在電動(dòng)汽車、電動(dòng)摩托車、電動(dòng)自行車等交流工具中，無刷直流電動(dòng)機(jī)作為主動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，以環(huán)保為目的的電動(dòng)汽車中，其牽引驅(qū)動(dòng)電機(jī)以永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)最有發(fā)展前途。4在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用例如，高速離心機(jī)，牙科和手術(shù)用高速器具，紅外激光調(diào)制器用熱像儀，測(cè)溫儀器等。國(guó)外已有用于制作人工心臟驅(qū)動(dòng)的小型血泵，植入人體內(nèi)。5在家用電器中的應(yīng)用目前，以變頻空調(diào)器、變頻冰箱、變頻洗衣機(jī)為代表的變頻家用電器步進(jìn)入我國(guó)消費(fèi)市場(chǎng)。而且變頻家用電器正在由“交流變頻”向俗稱的“直流變頻”轉(zhuǎn)變，已是明顯的發(fā)展趨勢(shì)。這種轉(zhuǎn)變實(shí)際上就是變頻家電用變頻空調(diào)壓縮機(jī)、變頻冰箱壓縮機(jī)、空調(diào)用室內(nèi)外風(fēng)機(jī)、空氣清新?lián)Q氣扇、變頻洗衣機(jī)所用的電動(dòng)機(jī)，過去是單相異步電動(dòng)機(jī)或vvvf變頻器供電的異步電動(dòng)機(jī)，現(xiàn)已被永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制器所取代。這種由“交流變頻，向“直流變頻”的轉(zhuǎn)變使變頻家用電器在節(jié)能高效、低噪音、舒適洼、智能化等方面都有新的提高。1998年至今我國(guó)變頻空調(diào)發(fā)展迅速，開始了直流化進(jìn)程。直流無刷電機(jī)在較大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可以獲得較高的效率，更適合家電的需要，日本變頻空調(diào)的全直流化早已批量生產(chǎn)。我國(guó)的變頻壓縮機(jī)廠家已開始采用無刷直流電動(dòng)機(jī)來代替三相交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，并批量生產(chǎn)。以永磁無刷 直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)和室內(nèi)外風(fēng)機(jī)的所謂全直流化空調(diào)，更節(jié)能，更舒適。此外，在特殊環(huán)境條件下，如潮濕、真空、有害物質(zhì)等場(chǎng)所，為提高系統(tǒng)的可靠性，采用無刷直流電動(dòng)機(jī)。其中，軍用和航天領(lǐng)域是無刷直流電動(dòng)機(jī)最先得到應(yīng)用的領(lǐng)域。四，需克服的短板直流無刷電動(dòng)機(jī)存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，運(yùn)行不是很平穩(wěn)，略有