淺談無刷電機控制器的原理及其構造

無刷電機

無刷直流電機由電動機主體和驅動器組成，是一種典型的機電一體化產品。由于無刷直流電動機是以自控式運行的，所以不會像變頻調速下重載啟動的同步電機那樣在轉子上另加啟動繞組，也不會在負載突變時產生振蕩和失步。中小容量的無刷直流電動機的永磁體，現(xiàn)在多采用高磁能級的稀土釹鐵硼（Nd-Fe-B）材料。因此，稀土永磁無刷電動機的體積比同容量三相異步電動機縮小了一個機座號。

工作原理

無刷直流電動機是采用半導體開關器件來實現(xiàn)電子換向的，即用電子開關器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸式換向器和電刷。它具有可靠性高、無換向火花、機械噪聲低等優(yōu)點，廣泛應用于高檔錄音座、錄像機、電子儀器及自動化辦公設備中。

無刷直流電動機由永磁體轉子、多極繞組定子、位置傳感器等組成。位置傳感按轉子位置的變化，沿著一定次序對定子繞組的電流進行換流（即檢測轉子磁極相對定子繞組的位置，并在確定的位置處產生位置傳感信號，經信號轉換電路處理后去控制功率開關電路，按一定的邏輯關系進行繞組電流切換）。定子繞組的工作電壓由位置傳感器輸出控制的電子開關電路提供。 ［2］

位置傳感器有磁敏式、光電式和電磁式三種類型。

采用磁敏式位置傳感器的無刷直流電動機，其磁敏傳感器件（例如霍爾元件、磁敏二極管、磁敏詁極管、磁敏電阻器或專用集成電路等）裝在定子組件上，用來檢測永磁體、轉子旋轉時產生的磁場變化。

采用光電式位置傳感器的無刷直流電動機，在定子組件上按一定位置配置了光電傳感器件，轉子上裝有遮光板，光源為發(fā)光二極管或小燈泡。轉子旋轉時，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件將會按一定頻率間歇間生脈沖信號。

采用電磁式位置傳感器的無刷直流電動機，是在定子組件上安裝有電磁傳感器部件（例如耦合變壓器、接近開關、LC諧振電路等），當永磁體轉子位置發(fā)生變化時，電磁效應將使電磁傳感器產生高頻調制信號（其幅值隨轉子位置而變化）。

結構解析

結構上，無刷電機和有刷電機有相似之處，也有轉子和定子，只不過和有刷電機的結構相反；有刷電機的轉子是線圈繞組，和動力輸出軸相連，定子是永磁磁鋼；無刷電機的轉子是永磁磁鋼，連同外殼一起和輸出軸相連，定子是繞組線圈，去掉了有刷電機用來交替變換電磁場的換向電刷，故稱之為無刷電機（Brushless motor），那現(xiàn)在就有問題了，沒有了電磁場的變換，如何讓無刷電機轉動呢？

簡單而言，依靠改變輸入到無刷電機定子線圈上的電流波交變頻率和波形，在繞組線圈周圍形成一個繞電機幾何軸心旋轉的磁場，這個磁場驅動轉子上的永磁磁鋼轉動，電機就轉起來了，電機的性能和磁鋼數(shù)量、磁鋼磁通強度、電機輸入電壓大小等因素有關，更與無刷電機的控制性能有很大關系，因為輸入的是直流電，電流需要電子調速器將其變成3相交流電，還需要從遙控器接收機那里接收控制信號，控制電機的轉速，以滿足模型使用需要。 總的來說，無刷電機的結構是比較簡單的，真正決定其使用性能的還是無刷電子調速器，好的電子調速器需要有單片機控制程序設計、電路設計、復雜加工工藝等過程的總體控制，所以價格要比有刷電機高出很多。 ［1］

相關對比

有刷電機缺點

（1）摩擦大，損耗大

老模友們在以前玩有刷電機的時候都碰到這個問題，那就是使用電機一段時間以后，需要打開電機來清理電機的碳刷，費時費力，維護強度不亞于來一次家庭大掃除。

（2）發(fā)熱大，壽命短

由于有刷電機的結構原因，電刷和換向器的接觸電阻很大，造成電機整體電阻較大，容易發(fā)熱，而永磁體是熱敏元件，如果溫度太高的話，磁鋼是會退磁的，使電機性能下降，影響有刷電機的壽命。

（3）效率低，輸出功率小

上面說到的有刷電機發(fā)熱問題，很大程度是因為電流做功在電機內部電阻上了，所以電能有很大程度轉化為了熱能，所以有刷電機的輸出功率不大，效率也不高。

無刷電機優(yōu)點

（1）無電刷、低干擾

無刷電機去除了電刷，最直接的變化就是沒有了有刷電機運轉時產生的電火花，這樣就極大減少了電火花對遙控無線電設備的干擾。

（2）噪音低，運轉順暢

無刷電機沒有了電刷，運轉時摩擦力大大減小，運行順暢，噪音會低許多，這個優(yōu)點對于模型運行穩(wěn)定性是一個巨大的支持。

（3）壽命長，低維護成本

少了電刷，無刷電機的磨損主要是在軸承上了，從機械角度看，無刷電機幾乎是一種免維護的電動機了，必要的時候，只需做一些除塵維護即可。上下一比較，就知道無刷電機相對于有刷電機的優(yōu)勢在哪里了，但是萬事都不是絕對的，有刷電機低速扭力性能優(yōu)異、轉矩大等性能特點是無刷電機不可替代的，不過就無刷電機的使用方便性來看，隨著無刷控制器的成本下降趨勢和國內外無刷技術的發(fā)展與市場競爭，無刷動力系統(tǒng)正在高速的發(fā)展與普及階段，這也極大促進了模型運動的發(fā)展。

其他區(qū)別

（1）適用范圍：

無刷電機：通常被使用在控制要求比較高，轉速比較高的設備上，如航模，精密儀器儀表等對電機轉速控制嚴格，轉速達到很高的設備上。

碳刷電機：通常動力設備使用的都是有刷電機，如吹風機、工廠的電動機、家用的抽油煙機等等，另外串激電機的轉速也能達到很高，但是由于碳刷的磨損，使用壽命不如無刷電機。

（2）使用壽命：

無刷電機：通常使用壽命在幾萬小時這個數(shù)量級，但是由于軸承的不同無刷電機使用壽命也有很大不同。

碳刷電機：通常有刷電機的連續(xù)工作壽命在幾百到1千多個小時，到達使用極限就需要更換碳刷，不然很容易造成軸承的磨損。

（3）使用效果：

無刷電機：通常是數(shù)字變頻控制，可控性強，從每分鐘幾轉，到每分鐘幾萬轉都可以很容易實現(xiàn)。

碳刷電機：舊碳刷電機一般啟動以后工作轉速恒定，調速不是很容易，串激電機也能達到20000轉/分，但是使用壽命會比較短。

（4）節(jié)能方面：

相對而言，無刷電機采用變頻技術控制的會比串激電機節(jié)能很多，最典型的就是變頻空調和冰箱。

（5）日后維修方面：

碳刷電機需要更換碳刷，如果更換不及時會造成電機的損壞，而無刷電機，使用壽命很長，通常是有刷電機的10倍以上，但是壞了就需要更換電機，但日常維護基本不需要。

（6）噪音方面與是否是有刷電機無關，主要是看軸承和電機內部組件的配合情況。

（7）模型無刷電機的參數(shù)指標，除了外形尺寸（外徑、長度、軸徑等）、重量、電壓范圍、空載電流、最大電流等參數(shù)外，還少不了一個重要指標KV值，這個數(shù)值是無刷電機獨有的一個性能參數(shù)，是判斷無刷電機性能特點的一個重要數(shù)據(jù)。

動車采用的電機分有刷電機和無刷電機兩種，由于無刷電機具有噪聲

低、壽命長的特點，因而在電動車中獲得比較廣泛應用。無刷電機的控制器復雜

無刷電機用電子換向器代替了有刷電機的機械換向器，因而控制方法也就大不相同，復雜程度明顯提高。

無刷電機A、B、C三相繞組的輪流通電，完成換相要求，電機正常運轉。

電機的霍爾信號、轉把信號、過流檢測信號、剎車信號等都直接輸入給單片機，由單片機進行處理，并由單片機輸出電子換向器三個橋臂的前級驅動信號，以控制電機的運轉，因而單片機主控電路是無刷電機控制器的心臟部分。

。單片機的15、16、17腳分別檢測來自電機內的三路霍爾位置信號，以決定換相時刻：**即。

霍爾信號檢測電路 ：通過檢測無刷電機的控制器的霍爾信號，此信號來自輪轂電機的內部，用于決定電機的換向時刻。**

剎車信號電路 ：

對于電動自行車，當手把剎車時，單片機得到剎車信號，無刷電機控制器停止輸出控制信號，電機斷電，這稱為剎車斷電，對于有些無刷控制器，當單片機得到剎車信號時，則輸出控制信號，強制電機抱住，使電機不能轉動，這稱為電剎車。

當BK信號端為低電平，則單片機第7 腳得到低電平剎車信號，通知無刷控制器完成剎車過程。當HBK端為高電平時，通過電阻R66、R81、R88及三極管VT20完成電平轉換，三極管VT20 的集電極變?yōu)榈碗娖?，單片機第7腳為低，通知無刷控制器完成剎車動作。

電機線（圖6中A線）無刷電機控制器電機線有3根，稱為A、B、C相線，一般黃線為A相，藍線為B相，綠線為C相

限速線（圖6中C線）國家標準規(guī)定電動車的最高限速 為20km/h，因此各無刷電機控制器廠 家生產的控制器出廠時都留有如圖7 中的D號線，當插頭插上，則電動車 限速為20km/h，符合國家標準，如斷 開，則電動車速度將大于20km/h，方 便用戶選擇。

剎車線（圖6中D線）剎車線連接到電動車的把手開關上，當剎車時開關動作，剎車信號送入單片機，執(zhí)行剎車斷電或剎車抱死動作。

速度線（圖6中E線）速度線與電動車儀表盤中的速度表相連，在無刷電機控制器內它通過一限流電阻與電機的某一根相線相連。電機速度變化，反應在電機相線中電流變化，則在速度線中電流也變化，反應在儀表盤中就是速度的變化。

轉把線（圖6中F線）轉把線連接到電動車轉把內的霍爾上，轉把線有3根線，分別為電源正、電源負和信號線，一般紅線為電源正，黑線為電源負，信號線為藍色。當轉把轉動時，轉把內磁鐵相對霍爾運動，產生由低到高的感應電壓信號，該信號送入單片機，執(zhí)行調速指令

電機霍爾線（圖6中G線）電機霍爾線與電機內霍爾相連，以決定電機換相時刻?；魻柧€有5根線：紅為正，黑為負，其余3根線為3 個霍爾信號，這3根線與電機相連，必須次序正確，否則電機不能正常運轉，有時需反復調換這3根線與電機相連次序，直到電機運轉正常。

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