1、 第 1 页 共 37 页 1 1 绪绪 论论 随着社会生产力的发展，需要不断地开发各种新型电动机。新技术新材料的不断涌 现，促进了电动机产品的不断推陈出新。早在本世纪 30 年代，就有人开始研制以电子 换向来代替电刷机械换向的无刷直流机，并取得了一定的成果。但由于当时的大功率电 子器件仅处于初级发展阶段，没能找到理想的电子换向元器件。1955 年,美国的 D. Harrison 等人首次申请了应用晶体管换向代替电机机械换向的专利， 这就是现代无刷直 流机的雏形，但由于电动机尚无起动转矩而不能产品化。而后又经过人们多年的努力， 借助于霍尔元件来实现换向的无直流机终于在 1962 年问世，从而开
2、创了无刷直流机产 品化的新纪元。70 年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多新型的高性能半导体 功率器件，如 GTO,MOSFET, IGBT 等相继出现，为无刷直流机的广泛应用奠定了坚实的 基础 1。 无刷直流机保持着有刷直流电机的优良机械及控制特性，在电磁结构上和有刷直流 电机一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子上放置永久磁钢。无刷直流机的电枢绕组 像交流电机的绕组一样，采用多相形式，经由逆变器接到直流电源上，定子采用位置传 感器实现电子换相来代替有刷直流电机的电刷和换向器，各相逐次通电产生电流，定子 磁场和转子磁极主磁场相互作用产生转矩。和有刷直流电机相比，无刷直流机由于取消 了电机
3、的滑动接触机构，消除了故障的主要根源。转子上没有绕组，也就没有了励磁损 耗，又由于主磁场是恒定的，因此铁损也是极小的,因而进一步增加了工作的可靠性 2。 随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率器件的不断出现，采用全控型 的开关功率元件进行脉冲调制（pauls width modulation,简称 PWM）控制的无刷直流电 机已成为主流。随着半导体工业，特别是大功率电子器件及微控制器的发展，变速驱动 变的更加现实且成本更低。 本文充分利用单片机的数字信号处理器运算快、外围电路少、系统组成简单、可靠 的特点，将其应用于无刷电机的驱动设计。实验表明，该设计使得无刷直流电机的组成 简化和性能
4、的改进成为可能，有利于电机的小型化和智能化。 第 2 页 共 37 页 2 2 无刷直流电动机无刷直流电动机 2.1 2.1 电机的分类电机的分类 30 电机按工作电源种类可分为： 1.直流电机 (1)有刷直流电机 永磁直流电机 稀土永磁直流电动机 铁氧体永磁直流电动机 铝镍钴永磁直流电动机 电磁直流电机 串励直流电动机 并励直流电动机 他励直流电动机 复励直流电动机 (2)无刷直流电机 稀土永磁无刷直流电机 2.交流电机 (1)单相电动机 (2)三相电动机 2.2 2.2 无刷直流电机及其控制技术的发展无刷直流电机及其控制技术的发展 1831 年，法拉第发现了电磁感应现象，奠定了现代电机的基
5、本理论基础。从 19 世 纪 40 年代研制成功第一台直流电机， 经过大约 17 年的时间， 直流电机技术才趋于成熟。 随着应用领域的扩大，对直流电机的要求也就越来越高，有接触的机械换向装置限制了 有刷直流电机在许多场合中的应用。为了取代有刷直流电机的电刷换向器结构的机械 接触装置，人们曾对此作过长期的探索。1915 年，美国人 Langnall 发明了带控制栅极 的汞弧整流器，制成了由直流变交流的逆变装置 6。20 世纪 30 年代，有人提出用离子 装置实现电机的定子绕组按转子位置换接的所谓换向器电机，但此种电机由于可靠性 差、效率低、整个装置笨重又复杂而无实用价值。 第 3 页 共 37
6、页 科学技术的迅猛发展，带来了电力半导体技术的飞跃。开关型晶体管的研制成功， 为创造新型直流电机 直流无刷电机带来了生机。 1955 年， 美国人 Harrison 首次提 出了用晶体管换相线路代替电机电刷接触的思想，这就是无刷直流电机的雏形。它由功 率放大部分、信号检测部分、磁极体和晶体管开关电路等组成，其工作原理是当转子旋 转时，在信号绕组中感应出周期性的信号电动势，此信号电动势份别使晶体管轮流导通 实现换相。问题在于，首先，当转子不转时，信号绕组内不能产生感应电动势，晶体管 无偏置，功率绕组也就无法馈电，所以这种无刷直流电机没有起动转矩；其次，由于信 号电动势的前沿陡度不大，晶体管的功耗大。为了克服这些弊病，人们采用了离心装置 的换向器，或采用在定子上放置辅助磁钢的方法来保证电机可靠地起动。但前者结构复 杂，而后者需要附加的起动脉冲。其后，经过反复的试验和不断的实践，人们终于找到 了用位置传感器和电子换相线路来代替有刷直流电机的机械换向装置，从而为直流电机 的发展开辟了新的途径。20 世纪 60 年代初期，接近
