進(jìn)入21世紀(jì)，電機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)步以及環(huán)境保護(hù)的需求，促使永磁直流無刷電機(jī)控制技術(shù)逐漸成熟，無刷電機(jī)較有刷電機(jī)有更加廣泛的應(yīng)用，能滿足更多操控性復(fù)雜產(chǎn)品的需求，廣泛應(yīng)用于家電、工業(yè)控制，特點(diǎn)是高效率、操控性能優(yōu)良。

什么是無刷電機(jī)?

直流無刷電機(jī)與直流有刷電機(jī)，最大的區(qū)別在于電機(jī)換向機(jī)構(gòu)的不同，從電刷換向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體換向元件，將電刷與整流子置換為變頻器電路。由于半導(dǎo)體換向元件沒有機(jī)械磨損，和因機(jī)械磨損而產(chǎn)生的噪聲，大大增加了控制的靈活性，便于先進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。它們兩者的結(jié)構(gòu)如下圖所示。

無刷DC電機(jī)與永久磁鐵同步(PMSM)電機(jī)基本上具有相同的構(gòu)造，無刷電機(jī)是一種采用永久磁鐵為轉(zhuǎn)子(旋轉(zhuǎn))、線圈為定子(固定)的構(gòu)造，切換線圈電流的流向與電機(jī)的旋轉(zhuǎn)相結(jié)合的電機(jī)。電機(jī)通過外部變頻器的控制，并于檢測出轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)位置的位置檢測電路，和變頻器配套使用。

直流無刷電機(jī)控制電路需要定位電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，從而精確的控制電機(jī)達(dá)到高效率、低噪聲、迅速響應(yīng)的效果。位置檢測方法主要有下面幾種：

霍爾傳感器檢測

利用霍爾元件檢測由永久磁鐵制成的轉(zhuǎn)子的磁場變化來檢測轉(zhuǎn)子的位置，這種方法穩(wěn)定可靠，但精度較低。

感應(yīng)電壓檢測

利用轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓的變化來檢測轉(zhuǎn)子的位置，這是檢測無傳感器由電機(jī)位置的方法之一，這種方法在電機(jī)停止的時(shí)候無法檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。

電流檢測

電流檢測方法屬于軟件算法類，需要微處理器具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力。

無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理

電機(jī)是通過磁場同極相斥、異極相吸的作用，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。利用該作用，改變定子上纏繞線圈電流的流向，就改變了定子的磁場方向，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子(附帶永久磁鐵)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。電機(jī)如果施加電壓，則會根據(jù)電壓的極性進(jìn)行正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速與電壓成比例進(jìn)行變化。

下圖是有刷直流電機(jī)和無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)對比，有刷直流電機(jī)是帶永久磁鐵的定子、線圈轉(zhuǎn)子、電刷和整流子構(gòu)成，利用整流子旋轉(zhuǎn)，改變流向線圈電流的方向，從而改變轉(zhuǎn)子的磁力方向，產(chǎn)生推動(dòng)了，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

無刷直流電機(jī)則是利用變頻器控制電流，改變流向線圈電流的方向，從而改變定子的磁力方向，產(chǎn)生推動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

無刷電機(jī)除了上面的內(nèi)轉(zhuǎn)子型，還有很多種類。直流電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是復(fù)雜的機(jī)電一體化工程，本篇簡單介紹電機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)。上面所用的直流電機(jī)，轉(zhuǎn)子是采用永磁體，極數(shù)是2的倍數(shù)，而如果是三相電機(jī)，定子的槽數(shù)就是3的倍數(shù)。比如，通?？照{(diào)電機(jī)會采用12槽8極的電機(jī)，槽口極數(shù)越多，電機(jī)的磁鏈就越復(fù)雜。電機(jī)的極對數(shù)越多，運(yùn)轉(zhuǎn)越平穩(wěn)。

無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理

一般而言，無刷電機(jī)是利用控制電路(微處理器)、微處理器程序、變頻器電路、電機(jī)、位置傳感器配套進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

什么是PWM?

電機(jī)是典型的電感性負(fù)載，而脈寬調(diào)制的控制方式能夠滿足電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制需求。對應(yīng)電機(jī)運(yùn)行的不同速度需求，脈寬調(diào)制的頻率，一般選擇20KHz及以上，能夠回避人能夠聽到的極限頻率。對應(yīng)不同電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速從低到高，脈寬調(diào)制的頻率同樣需要從低到高的調(diào)整。

什么是變頻器?

變頻器是使用半導(dǎo)體器件的功率轉(zhuǎn)換裝置之一，將直流轉(zhuǎn)換為交流的裝置稱為DC-AC變頻器。一般來說，將交流變?yōu)橹绷鞯腁C-DC整流器，與DC-AC變頻器組合，轉(zhuǎn)換為任意頻率與電壓的電路稱為變頻器電路(變頻器)。

什么是驅(qū)動(dòng)器?

直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，從應(yīng)用角度有很多種控制方式，但是基本的功率驅(qū)動(dòng)部分變化不大。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是指驅(qū)動(dòng)電機(jī)的變頻器電路的半導(dǎo)體元器件，主要由功率電子元件和二極管構(gòu)成的三相全橋電路，功率電子元件使用晶體管、FET、IGBT等元件。實(shí)際應(yīng)用中，需要滿足電機(jī)工作和調(diào)速的要求，通常需要高耐壓、大電流。東芝有相應(yīng)的單片集成功率電路，能夠適應(yīng)小型電機(jī)的驅(qū)動(dòng)需求。

矩形波驅(qū)動(dòng)

矩形波驅(qū)動(dòng)又叫方波驅(qū)動(dòng)，流過電機(jī)的電流是類似梯形的波形，是一種最簡單的驅(qū)動(dòng)方法，控制相對簡單，成本低。其根據(jù)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度切換功率電子元件的ON/OFF狀態(tài)，從而改變定子線圈的電流方向來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

方波驅(qū)動(dòng)的換相角是120度，存在較大的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，同時(shí)流過電機(jī)的電流有較大的尖峰及脈沖。因此，方波驅(qū)動(dòng)的噪聲較正弦波驅(qū)動(dòng)大，效率低。

正弦波驅(qū)動(dòng)

正弦波驅(qū)動(dòng)是一種根據(jù)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度，連續(xù)地將定子線圈的電壓轉(zhuǎn)換為正弦波來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方法，是現(xiàn)在主流的三相直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。

正弦波驅(qū)動(dòng)與矩形波驅(qū)動(dòng)相比，正弦波驅(qū)動(dòng)不僅具有效率高，還具有低振動(dòng)、低噪聲的有點(diǎn)。在控制方面需要檢測轉(zhuǎn)子的位置，實(shí)時(shí)地推測轉(zhuǎn)子位置，輸出符合轉(zhuǎn)子位置的正弦波電壓。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案

正弦波驅(qū)動(dòng)方案，是通過霍爾信號產(chǎn)生馬鞍形的調(diào)制波，控制驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正弦波電流，在家電行業(yè)廣泛應(yīng)用，可提升電機(jī)整體效率，還有抑制噪聲。目前可用于對噪聲要求較高的應(yīng)用中，如電風(fēng)扇、空氣凈化器等方面有廣泛應(yīng)用。