【经验】无刷直流电机（BLDC）的原理及特点介绍

时间： 2021-10-04 来源：博联科技

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无刷直流电机(BLDC)可以想象成与刷式直流电机截然相反，其中永久磁性在转子上，而绕线在定子上。因此，该电机没有刷子和换向器，消除了与刷式直流电机产生火花相关的劣势。本文博联科技将介绍无刷直流电机的原理及特点，为设计师提供帮助。

不同于开环步进应用中驱动的定子线圈决定转子位置，在BLDC电机中，转子位置决定要驱动哪个定子线圈。定子磁通矢量位置必须与转子磁通矢量位置保持同步（而非相反），以使电机操作顺畅。要实现这一目的，需要了解转子位置来确定要驱动的定子线圈。现有多种技术可实现这一目的，但最常用的技术是使用霍尔效应传感器监控转子位置。遗憾的是，这些传感器及其相关连接器和线束会增加系统成本，并降低可靠性。

为减少这些问题，已有多种技术开发出来用于消除这些传感器，进而实现无传感器操作。多数技术依靠在电机旋转时，从定子绕线的反电动势波形中提取位置信息。但是，依靠反电动势传感的技术在电机旋转缓慢或静止时便无用武之地，因为此时反电动势波形很弱或根本不存在。因此，需不断开发新技术以在低转速或零转速时从其它信号中获取转子位置信息。

BLDC电机在效率额定值方面占绝对优势，一般可达到95%左右。当前对新非晶合金材料的研究正在将这一数字推向新高。已有报道称100W范围内效率为96%。BLDC电机还在争夺“世界最快电机”之称，部分电机速度可达到数十万RPM（其中一项应用中已报道400KRPM）。

最常用的BLDC电机拓扑使用3相定子结构。因此，标准的6晶体管反向器是最常用的功率级。根据运行要求（含传感器与无传感器、换向与正弦、PWM与SVM等），有很多方法可驱动晶体管来达到所需目标，不胜枚举。这对一般位于微处理器中的PWM发生器的灵活性提出了极高要求。

无刷直流电机特点

●全面替代直流电机调速、全面替代变频器+变频电机调速、全面替代异步电机+减速机调速；

●具有传统直流电机的所有优点，同时又取消了碳刷、滑环结构；

●可以低速大功率运行，可以省去减速机直接驱动大的负载；

●体积小、重量轻、出力大；

●转矩特性优异，中、低速转矩性能好，启动转矩大，启动电流小；

●无级调速，调速范围广，过载能力强；

●软启软停、制动特性好，可省去原有的机械制动或电磁制动装置；

●效率高，电机本身没有励磁损耗和碳刷损耗，消除了多级减速耗，综合节电率可达20%~60%，仅节电一项一年收回购置成本；

●可靠性高，稳定性好，适应性强，维修与保养简单；

●耐颠簸震动，噪音低，震动小，运转平滑，寿命长；

●没有无线电干扰，不产生火花，特别适合爆炸性场所，有防爆型；

●根据需要可选梯形波磁场电机和正旋波磁场电机。

PID控制简介

一般PID控制如下：

公式1

Kp控制(比例控制)：输出与输入误差讯号成正比关系，即将误差固定比例修正，但系统会有稳态误差。

Ti控制(积分控制)：当系统进入稳态有稳态误差时，将误差取时间的积分，即便误差很小也能随时间增加而加大，使稳态误差减小直到为零。

Td控制(微分控制)：当系统在克服误差时，其变化总是落后于误差变化，表示系统存在较大惯性组件或(且)有滞后组件。微分即是预测误差变化的趋势以便提前作用避免被控量严重冲过头。

电机驱动器的保护措施

对于驱动器还要有保护措施，当负载过大或不当使用时会造成大电流而将功率晶体管烧毁。为了保护因电流超过规格而破坏驱动器，一般会以加大功率晶体管耐电流或加电流sensor做为保护。其次当电机负载不小的时候，在停止转动时由电机端回送至驱动器的能量及过电压都将危及驱动器，这可配合过电压保护电路加上回生能量消散电路来防治。其它尚有hall-sensor正常与否判定也会影响pwm控制的正确性，这可由控制部判断并适时警告即可。

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