浅谈无刷电机控制器的原理及其构造

　　无刷电机

 

　　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。由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会像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，现在多采用高磁能级的稀土钕铁硼（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。

 

　　工作原理

 

　　无刷直流电动机是采用半导体开关器件来实现电子换向的，即用电子开关器件代替传统的接触式换向器和电刷。它具有可靠性高、无换向火花、机械噪声低等优点，广泛应用于高档录音座、录像机、电子仪器及自动化办公设备中。

 

　　无刷直流电动机由永磁体转子、多极绕组定子、位置传感器等组成。位置传感按转子位置的变化，沿着一定次序对定子绕组的电流进行换流（即检测转子磁极相对定子绕组的位置，并在确定的位置处产生位置传感信号，经信号转换电路处理后去控制功率开关电路，按一定的逻辑关系进行绕组电流切换）。定子绕组的工作电压由位置传感器输出控制的电子开关电路提供。 ［2］

 

　　位置传感器有磁敏式、光电式和电磁式三种类型。

 

　　采用磁敏式位置传感器的无刷直流电动机，其磁敏传感器件（例如霍尔元件、磁敏二极管、磁敏诂极管、磁敏电阻器或专用集成电路等）装在定子组件上，用来检测永磁体、转子旋转时产生的磁场变化。

 

　　采用光电式位置传感器的无刷直流电动机，在定子组件上按一定位置配置了光电传感器件，转子上装有遮光板，光源为发光二极管或小灯泡。转子旋转时，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件将会按一定频率间歇间生脉冲信号。

 

　　采用电磁式位置传感器的无刷直流电动机，是在定子组件上安装有电磁传感器部件（例如耦合变压器、接近开关、LC谐振电路等），当永磁体转子位置发生变化时，电磁效应将使电磁传感器产生高频调制信号（其幅值随转子位置而变化）。

 

　　结构解析

 

　　结构上，无刷电机和有刷电机有相似之处，也有转子和定子，只不过和有刷电机的结构相反；有刷电机的转子是线圈绕组，和动力输出轴相连，定子是永磁磁钢；无刷电机的转子是永磁磁钢，连同外壳一起和输出轴相连，定子是绕组线圈，去掉了有刷电机用来交替变换电磁场的换向电刷，故称之为无刷电机（Brushless motor），那现在就有问题了，没有了电磁场的变换，如何让无刷电机转动呢？

 

　　简单而言，依靠改变输入到无刷电机定子线圈上的电流波交变频率和波形，在绕组线圈周围形成一个绕电机几何轴心旋转的磁场，这个磁场驱动转子上的永磁磁钢转动，电机就转起来了，电机的性能和磁钢数量、磁钢磁通强度、电机输入电压大小等因素有关，更与无刷电机的控制性能有很大关系，因为输入的是直流电，电流需要电子调速器将其变成3相交流电，还需要从遥控器接收机那里接收控制信号，控制电机的转速，以满足模型使用需要。 总的来说，无刷电机的结构是比较简单的，真正决定其使用性能的还是无刷电子调速器，好的电子调速器需要有单片机控制程序设计、电路设计、复杂加工工艺等过程的总体控制，所以价格要比有刷电机高出很多。 ［1］

 

　　相关对比

 

　　有刷电机缺点

 

　　（1）摩擦大，损耗大

 

　　老模友们在以前玩有刷电机的时候都碰到这个问题，那就是使用电机一段时间以后，需要打开电机来清理电机的碳刷，费时费力，维护强度不亚于来一次家庭大扫除。

 

　　（2）发热大，寿命短

 

　　由于有刷电机的结构原因，电刷和换向器的接触电阻很大，造成电机整体电阻较大，容易发热，而永磁体是热敏元件，如果温度太高的话，磁钢是会退磁的，使电机性能下降，影响有刷电机的寿命。

 

　　（3）效率低，输出功率小

 

　　上面说到的有刷电机发热问题，很大程度是因为电流做功在电机内部电阻上了，所以电能有很大程度转化为了热能，所以有刷电机的输出功率不大，效率也不高。

 

　　无刷电机优点

 

　　（1）无电刷、低干扰

 

　　无刷电机去除了电刷，最直接的变化就是没有了有刷电机运转时产生的电火花，这样就极大减少了电火花对遥控无线电设备的干扰。

 

　　（2）噪音低，运转顺畅

 

　　无刷电机没有了电刷，运转时摩擦力大大减小，运行顺畅，噪音会低许多，这个优点对于模型运行稳定性是一个巨大的支持。

 

　　（3）寿命长，低维护成本

 

　　少了电刷，无刷电机的磨损主要是在轴承上了，从机械角度看，无刷电机几乎是一种免维护的电动机了，必要的时候，只需做一些除尘维护即可。上下一比较，就知道无刷电机相对于有刷电机的优势在哪里了，但是万事都不是绝对的，有刷电机低速扭力性能优异、转矩大等性能特点是无刷电机不可替代的，不过就无刷电机的使用方便性来看，随着无刷控制器的成本下降趋势和国内外无刷技术的发展与市场竞争，无刷动力系统正在高速的发展与普及阶段，这也极大促进了模型运动的发展。

 

　　其他区别

 

　　（1）适用范围：

 

　　无刷电机：通常被使用在控制要求比较高，转速比较高的设备上，如航模，精密仪器仪表等对电机转速控制严格，转速达到很高的设备上。

 

　　碳刷电机：通常动力设备使用的都是有刷电机，如吹风机、工厂的电动机、家用的抽油烟机等等，另外串激电机的转速也能达到很高，但是由于碳刷的磨损，使用寿命不如无刷电机。

 

　　（2）使用寿命：

 

　　无刷电机：通常使用寿命在几万小时这个数量级，但是由于轴承的不同无刷电机使用寿命也有很大不同。

 

　　碳刷电机：通常有刷电机的连续工作寿命在几百到1千多个小时，到达使用极限就需要更换碳刷，不然很容易造成轴承的磨损。

 

　　（3）使用效果：

 

　　无刷电机：通常是数字变频控制，可控性强，从每分钟几转，到每分钟几万转都可以很容易实现。

 

　　碳刷电机：旧碳刷电机一般启动以后工作转速恒定，调速不是很容易，串激电机也能达到20000转/分，但是使用寿命会比较短。

 

　　（4）节能方面：

 

　　相对而言，无刷电机采用变频技术控制的会比串激电机节能很多，最典型的就是变频空调和冰箱。

 

　　（5）日后维修方面：

 

　　碳刷电机需要更换碳刷，如果更换不及时会造成电机的损坏，而无刷电机，使用寿命很长，通常是有刷电机的10倍以上，但是坏了就需要更换电机，但日常维护基本不需要。

 

　　（6）噪音方面与是否是有刷电机无关，主要是看轴承和电机内部组件的配合情况。

 

　　（7）模型无刷电机的参数指标，除了外形尺寸（外径、长度、轴径等）、重量、电压范围、空载电流、最大电流等参数外，还少不了一个重要指标KV值，这个数值是无刷电机独有的一个性能参数，是判断无刷电机性能特点的一个重要数据。

　　动车采用的电机分有刷电机和无刷电机两种，由于无刷电机具有噪声

　　低、寿命长的特点，因而在电动车中获得比较广泛应用。无刷电机的控制器复杂

　　无刷电机用电子换向器代替了有刷电机的机械换向器，因而控制方法也就大不相同，复杂程度明显提高。

　　无刷电机A、B、C三相绕组的轮流通电，完成换相要求，电机正常运转。

　　电机的霍尔信号、转把信号、过流检测信号、刹车信号等都直接输入给单片机，由单片机进行处理，并由单片机输出电子换向器三个桥臂的前级驱动信号，以控制电机的运转，因而单片机主控电路是无刷电机控制器的心脏部分。

　　。单片机的15、16、17脚分别检测来自电机内的三路霍尔位置信号，以决定换相时刻：**即。

　　霍尔信号检测电路 ：通过检测无刷电机的控制器的霍尔信号，此信号来自轮毂电机的内部，用于决定电机的换向时刻。**

　　刹车信号电路 ：

　　对于电动自行车，当手把刹车时，单片机得到刹车信号，无刷电机控制器停止输出控制信号，电机断电，这称为刹车断电，对于有些无刷控制器，当单片机得到刹车信号时，则输出控制信号，强制电机抱住，使电机不能转动，这称为电刹车。

　　当BK信号端为低电平，则单片机第7 脚得到低电平刹车信号，通知无刷控制器完成刹车过程。当HBK端为高电平时，通过电阻R66、R81、R88及三极管VT20完成电平转换，三极管VT20 的集电极变为低电平，单片机第7脚为低，通知无刷控制器完成刹车动作。

　　电机线（图6中A线）无刷电机控制器电机线有3根，称为A、B、C相线，一般黄线为A相，蓝线为B相，绿线为C相

　　限速线（图6中C线）国家标准规定电动车的最高限速 为20km/h，因此各无刷电机控制器厂 家生产的控制器出厂时都留有如图7 中的D号线，当插头插上，则电动车 限速为20km/h，符合国家标准，如断 开，则电动车速度将大于20km/h，方 便用户选择。

　　刹车线（图6中D线）刹车线连接到电动车的把手开关上，当刹车时开关动作，刹车信号送入单片机，执行刹车断电或刹车抱死动作。

　　速度线（图6中E线）速度线与电动车仪表盘中的速度表相连，在无刷电机控制器内它通过一限流电阻与电机的某一根相线相连。电机速度变化，反应在电机相线中电流变化，则在速度线中电流也变化，反应在仪表盘中就是速度的变化。

　　转把线（图6中F线）转把线连接到电动车转把内的霍尔上，转把线有3根线，分别为电源正、电源负和信号线，一般红线为电源正，黑线为电源负，信号线为蓝色。当转把转动时，转把内磁铁相对霍尔运动，产生由低到高的感应电压信号，该信号送入单片机，执行调速指令

　　电机霍尔线（图6中G线）电机霍尔线与电机内霍尔相连，以决定电机换相时刻。霍尔线有5根线：红为正，黑为负，其余3根线为3 个霍尔信号，这3根线与电机相连，必须次序正确，否则电机不能正常运转，有时需反复调换这3根线与电机相连次序，直到电机运转正常。

　　买一个速度盘，进行观察电车的速度。