低速永磁无刷直流电机及其控制探析

张晓宇+陈志南

摘 要：随着社会经济的不断发展与进步，工业生产技术的不断创新与完善，低速永磁无刷直流电机发展实现了质的飞跃。与传统永磁有刷直流电机相比较，现代低速永磁无刷直流电机具有更加明显的应用控制优势，其具备了良好的控制性能、启动与调速特性以及应用范围广泛等，能够有效确保各项设备安全稳定持续的运行。此外，低速永磁无刷直流电机在运行过程中不会产生巨大的噪声和高热量、磨损程度小，有利于企业生产水平的提升。本文将进一步对低速永磁无刷直流电机及其控制展开分析与探讨。

关键词：低速；永磁；无刷直流电机；控制系统

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.019

0 引言

当前是一个科学技术化的时代，低速永磁无刷直流电机发展应用要与时俱进，跟上时代前进的脚步。由于低速永磁无刷直流电机具有机械特性良好、过载能力强、高效节能以及控制操作简单等优势，因此被普遍应用在市场各个行业领域当中，促使各个企业在最低成本下创造出最大的经济效益和社会效益。为了最大程度提升低速永磁无刷直流电机的使用性能，相关研究机构必须有效采取抑制其齿槽脉动的解决措施，确保低速永磁无刷直流电机能够安全可靠的运行，避免企业造成严重的经济损失。

1 低速永磁无刷直流电机的相关结构和工作原理

低速永磁无刷直流电机的构成主要包括了三个部分，它们分别是永磁电机主体、功率电子开关以及转子传感器。当前，永磁无刷直流电机主要分为了两种类型，一种是分装式，另一种则是整体式。其中，分装式结构是一种无框架的电动机，而整体式电机则主要提供涵盖了轴承、转轴、壳体以及相关装置等整套的直流电机装置。相对于分装式永磁无刷直流电机，整体式结构电机的优势在于方便用户管理和维护，能够节省更多人力和财力。

永磁无刷直流电机还可以分为内转子式结构、外转子式结构以及双定转子结构。例如，内转子式结构的无刷直流电子在其铁心内部存在多相对称绕组，不同绕组之间构成三角形或者星形，同时还分别与逆变器中的所有开关管进行连接工作。在永磁无刷直流电机中普遍使用的永磁材料特征为高剩磁密度、高矫顽力；外转子结构永磁无刷直流电机的特征为将电枢放在设备内部，而将具有永磁体的转子置于外部。外转子结构形式一般可概括为三种，它们分别是表面式磁极结构、嵌入式磁极结构以及环形磁极结构。内转子结构与外转子结构直流电机之间差异性入下图1所示。

在低速永磁无刷直流电机中电枢绕组连接方式主要包括了两种，一种是星形连接绕组，另一种则是封闭式连接绕组。不同电枢绕组连接方式与电子换向电路结合可以形成多元化的组合方式。例如，星形绕组与桥式绕组、三相封闭式连接绕组与桥式线路组合等等。

当低速永磁无刷直流电机在运行过程中，转子位置传感器所获取的信号在分析处理后会科学按照标准逻辑程序，促使一些与电枢绕组互相连接的功率开关晶体管在特定时刻完成停止或者导通操作。此时，直流电机电枢绕组中之前未能够接通电流的绕组就会接入电流，相反之前接通电流的绕组就会关闭电流或者是促使电流流通方向发生变化，这样以来就导致定子磁状态出现改变现象。我们通常将这种采用电子电路去完成电枢绕组内电流变化的过程叫做为电子换向。电流在绕组中每换流一次，就会直接导致定子磁场发生变化，在持续换流过程中，就会有效形成一个跳跃式的旋转磁场。

转子位置传感器在低速永磁无刷直流机中主要发挥出了两个重要作用，一个是明确了电子换向电路驱动线路中功率晶体管的导通角，这样能够让工作人员科学判断分析出电枢磁场的磁状态；而另一个作用就是在转子位置传感器的辅助下，完成对转子所处位置的检测工作，这样有利于技术人员去明确转子换向和驱动线路的正确导通顺序[3]。

2 低速永磁无刷直流电动机的主要控制措施

2.1 有位置传感器控制

低速永磁无刷直流电机的稳定运行离不开三个核心部件，它们分别是永磁电机本体、转子位置传感器以及功率电子开关电路。其中，转子位置传感器主要负责获取产生转子位置信号，在分析处理后将其有效送到转子位置译码电路，接着在逻辑变换和放大程序下，成功将位置信号转换成科学正确的换向顺序信号，这样一来就能够完成起动导通所相对应的各个功率开关部件，同时还可以确保其按照一定规范次序进行接通或者断开绕组，在整个过程中直流電机电驱产生的步进磁场和转子永磁磁场会一直维持均衡的垂直关系，从而保障永磁无刷直流电机产生最大的转矩。就比如，企业在使用8051单片机控制系统工作中，直流电机定子三相绕组Y连接，通常情况下桥式主电路所采取的通电手段为两两互通。通过将8051单片机P2口设置为输入口，它的主要功能是负责送入位置检测信号H1/H2/H3；接着将8051单片机P1口设置成输出口，其中P1.0、P1.1、P1.2口经方向驱动门74LS06控制P沟道MOSFETV1、V2、V3栅极；P1.3、P1.4、P1.5经或非门 74LS33 与 P0.1相或后控制 N 沟道 MOSFET V4、V6、V20、P0.0线输出发电制动高电平信号，导通 V0后可使转子动能变换成的电能消耗在制动电阻Rt，电流检测运用电流采样电阻 Rf，其上电压信号 Uf送电压比较器 LM 与设定值 Uo相比较，完成对桥臂零部件的通断操作，从而实现直流电机的恒流控制或者过流保护。在转速操控过程中，通过合理应用先进的脉冲调制方法可以有效控制电压大小，从而完成速度调节工作[4]。工作人员要想顺利完成正反转控制操作，就必须通过优化调整绕组的实际通电顺序，合理采用一致的位置传感器，正、反转时光敏接收元件对通电相的控制，通过一个逻辑电路去实现，并且把传感器的控制信号有效转换成与之相对应的控制关系。电流控制要经过使用电阻 Rf对流经不同上、下桥臂功率管和电机绕组的相电流进行采样，当设定值小于电机实际电流时，比较器输出低电平，通过电阻 R4、R6、R2将功率开关 V4、V6、V2关断，从而促使直流电机的电流下降。

2.2 无位置传感器控制

企业要想确保无位置传感器低速永磁无刷直流电机进行安全可靠的运行工作，设计人员就必须科学设计出一个转子位置信号专门用来检查电路，转子位置信号的获取来源主要来自原低速永磁无刷直流电机的软硬件。当前，所采用的检测方法主要包括了锁相环技术法、反电动势过零检测法、电感法以及定子三次谐波法等。在这几种检测方法当中，应用最为普遍的是反电动势过零检测法。

反电动势过零检测法实际工作原理是：当低速永磁无刷直流电机的转子旋转磁场时，就可以直接在定子繞组中出现感应电动势。倘若定子绕组所采用的绕组方式为集中整柜绕组，那么方波磁场在定子绕组中所感应的电动势就会形成梯形波，经过所获取到的电动势波形，工作人员就可以准确找出过零点，从而判断确定出转子的实际位置信息。要想实现这个实践过程，技术人员可以采取端电压法或者相电压法，该两种方法在本质上是一样的，能够确保企业在最低成本投资下创造出最大的经济效益，并且保障设备运行过程的安全可靠性[5]。

操控人员在起动无位置传感器无刷直流电机时，通常所运用的起动手段为“三段式”起动法，该种起动方法的重要特点是通过把整个起动过程划分为三个不同阶段，它们分别是转子定位、外同步加速以及自同步切换。如果低速永磁无刷直流电机调速系统轻载起动，切换操作较为简单容易时，那么操控人员只需要保证加速度达到切换速度要求，就可以轻松完成切换控制操作。

3 冷却风扇低速永磁无刷直流电机及其控制

定子与转子。

冷却风扇无刷直流电机的本体构成主要包括了两个部分，一部分是定子，另一部分是转子。其中定子是静止不动的本体部件，主要起到支撑固定电枢绕组的作用。定子的组成涵盖了定子铁芯、固定铁芯、电枢绕组以及绕组所要使用到的各种材料、零部件。而转子作为无刷直流电机本体的转动部分，主要起到产生激磁磁场的作用。转子的组成涵盖了导磁体、永磁体以及支撑零部件。

为了确保永磁无刷直流电机稳定持续的工作，技术检测人员必须使转子和定子能够达到电磁方面的基础要求，保证它们在工作过程中可以产生充足的磁通。其中，电枢绕组是能够流入一定的电流的，这样有利于产生一定的电磁转矩。此外，工作人员还必须保证转子和定子要满足机械方面的相关要求，全面保障机械结构的稳固性，可以有效发挥出其传送转矩的作用，不受到外界环境因素的影响。冷却风扇无刷电机方框原理图如下图2所示。

在当前市场上，冷却风扇低速永磁无刷直流电机中存在着多种多样的转子结构。例如，工作人员按照磁体在转子上的不同安装手段，可以合理将其分为内置式永磁体和表面贴装式永磁体。其中，表面贴装式永磁体的优势在于其内部结构较为简单，有利于大批量生产，并且自身成本低廉。缺点在于该永磁体会直接面对电枢反应的退磁，同时还要充分考虑到在高转速时的离心力保护。而内置式永磁体的优势在于其有效提高了气隙磁通密度，具备了聚磁的作用，从而保证磁体取得良好的电机性能。内置式切向式条形磁铁结构制作较为简单，无需复杂的操作加工，其包括在磁钢外部的铁心能够起到全面的保护缓冲作用，有效避免磁钢发生退磁的现象。此外，因为磁钢是依赖于铁芯稳固在铁心内部的，这样一来就有效优化了生产程序，加工人员无需进行粘胶、固定磁钢夹等操作，从而降低了他们的工作任务量，节省了更多的时间，为企业创造出更多的经济效益。下图3为不同的磁钢固定方式图。

在风扇永磁无刷直流电机运行过程中，铁心要承受来自于机械运动与电磁热的综合作用。直流电机铁心是由众多冲片叠压构成的，其形状较为复杂，需要加工生产人员确保冲片叠压后的铁心能够符合相关技术标准和形状规则，省去后期的铁心补充加工作业。铁心具备了优越的电磁性能，降低了铁资源的损耗。企业在定子铁心生产加工过程中，要确保其具备良好的牢固性和紧密性[6]。

当前，永磁铁氧体被广泛的应用在冷却风扇永磁无刷直流电机中，其成本低廉，市场价格仅为稀土磁铁的三分之一左右。永磁铁氧体具备了良好的矫顽力，能够在-40℃-200℃环境下安全稳定的作业，并且不会发生严重退磁的问题。与此同时，永磁铁氧体具有较高的电阻率，不会发生任何因为涡流而造成的损耗问题，被普遍应用在敞开式结构的冷却风扇永磁无刷直流点集中。冷却风扇永磁无刷直流电机具有广阔的市场应用前景，企业要研究设计该类电机时，必须根据用户需求有针对性的选用定子、转子结构，优先选择高质量的磁体和铁心材料，从而充分保障直流电机的高效稳定运行。

4 结束语

综上所述，低速永磁无刷直流电机在控制上具备了较大的优势，被广泛的应用在各个行业领域上。低速永磁无刷直流电机相较于传统有刷直流电机，其能够不收外界环境因素的影响，方便工作人员的管理维护，降低企业各项设备的控制管理成本，从而有效促进企业和谐稳定的持续发展。

参考文献：

[1]赵一衡，顾伟康，陈亚彬，曹翔.无刷直流电机转子位置检测方法综述[J].机械研究与应用，2014（02）：70-74.

[2]韦鲲，林平，熊宇等.无刷直流电机 PWM 调制方式的优化研究[J].浙江大学学报工学版），2015，39（07）：1038-1042 .

[3]王志春，宋吉庆，孙建国.永磁无刷直流电机无位置传感器控制方法研究[J].工业控制计算机，2014（03）：65-68.

[4]王爽，李铁才，王治国.无刷直流电机换相力矩波动抑制[J].电机与控制学报，2014，5（03）：288-293.

[5]王晚远，贾姐.基于槽口优化的电动汽车用大功率无娜直流电机谊槽转矩削弱方法[J]，电工技木学报，2013（05）：121-123.

[6]In-Gun Kim，Su-Yeon Cho，Hyun-Jong Park，Han-Woong Ahn，Ju Lee.A study on the torque Ripple improvement of a BLDC motor via skewed magnet[J].2013 International Conference on Electrical Machines and Systems （ICEMS），2013（02）：1105-1108.

作者简介：张晓宇（1973-），男，河南南阳人，硕士，副教授，高级工程师，研究方向：电机设计专业教学、研发工作。