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1、无刷直流电机的工作原理无刷直流电机的工作原理 无刷直流电机的控制结构 无刷直流电机的控制结构 无刷直流电机是同步电机的一种， 也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场 的速度及转子极数(P)影响： N=120f / P。在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转 子的转速。无刷直流电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器)，控制定子旋 转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正， 以期达到接近直流 电机特性的方式。 也就是说无刷直流电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍 可以控制电机转子维持一定的转速。 无刷直流驱动器包括电源部及控制部如图 (1) ：电源部提供三相电源
2、给电机， 控制部则依需求转换输入电源频率。 电源部可以直接以直流电输入(一般为 24V)或以交流电输入(110V/220 V)，如果 输入是交流电就得先经转换器(converter)转成直流。不论是直流电输入或交流 电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由换流器(inverter)转成 3 相电压来 驱动电机。换流器(inverter)一般由 6 个功率晶体管(Q1Q6)分为上臂(Q1、Q3、 Q5)/下臂(Q2、Q4、Q6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供 PWM(脉冲宽度调制)决定功率晶体管开关频度及换流器(inverter)换相的时机。 无刷直流电机一般希望使用在当负载变动
3、时速度可以稳定于设定值而不会变动 太大的速度控制，所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器(hall-sensor)， 做为速度之闭回路控制，同时也做为相序控制的依据。但这只是用来做为速度控 制并不能拿来做为定位控制。 （图一） 无刷直流电机的控制原理无刷直流电机的控制原理 要让电机转动起来， 首先控制部就必须根据 hall-sensor 感应到的电机转子目前 所在位置， 然后依照定子绕线决定开启(或关闭)换流器(inverter)中功率晶体管 的顺序，如 下（图二） inverter 中之 AH、BH、CH(这些称为上臂功率晶体管) 及 AL、 BL、 CL(这些称为下臂功率晶体管)， 使电流
4、依序流经电机线圈产生顺向(或 逆向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。当 电机转子转动到 hall-sensor 感应出另一组信号的位置时， 控制部又再开启下一 组功率晶体管， 如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制部决定要电机 转子停止则关闭功率晶体管(或只开下臂功率晶体管)； 要电机转子反向则功率晶 体管开启顺序相反。 基本上功率晶体管的开法可举例如下： AH、BL 一组AH、CL 一组BH、CL 一组BH、AL 一组CH、AL 一组CH、BL 一组， 但绝不能开成 AH、AL 或 BH、BL 或 CH、CL。此外因为电子零件总有开关的响应 时间，所以功
5、率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则 当上臂(或下臂)尚未完全关闭，下臂(或上臂)就已开启，结果就造成上、下臂短 路而使功率晶体管烧毁。 (图二) 当电机转动起来，控制部会再根据驱动器设定的速度及加/减速率所组成的命令 (Command)与 hall-sensor 信号变化的速度加以比对(或由软件运算)再来决定由 下一组(AH、BL 或 AH、CL 或 BH、CL 或)开关导通，以及导通时间长短。速 度不够则开长，速度过头则减短，此部份工作就由 PWM 来完成。PWM 是决定电机 转速快或慢的方式，如何产生这样的 PWM 才是要达到较精准速度控制的核心。 电机驱动器的保护措施 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。
