直流无刷电机的工作原理

直流无刷电机的优越性

直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，但直流电机的优点也正是它的缺点，因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩的性能，则电枢磁场与转子磁场须恒维持90°，这就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到。交流电机没有碳刷及整流子，免维护、坚固、应用广，但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技术才能达到。现今半导体发展迅速功率组件切换频率加快许多，提升驱动电机的性能。微处理机速度亦越来越快，可实现将交流电机控制置于一旋转的两轴直交坐标系统中，适当控制交流电机在两轴电流分量，达到类似直流电机控制并有与直流电机相当的性能。 

此外已有很多微处理机将控制电机必需的功能做在芯片中，而且体积越来越小；像模拟/数字转换器(Analog-to-digital converter，ADC)、脉冲宽度调制(pulse wide modulator，PWM)…等。直流无刷电机即是以电子方式控制交流电机换相，得到类似直流电机特性又没有直流电机机构上缺失的一种应用。

直流无刷电机的控制结构

直流无刷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=120．f / 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。直流无刷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。也就是说直流无刷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。 

直流无刷驱动器包括电源部及控制部如图 (1) ：电源部提供三相电源给电机，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(Q1～Q6)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。直流无刷电机一般希望使用在当负载变动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） 

直流无刷电机的控制原理 

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。高转速的速度控制必须考虑到系统的CLOCK 分辨率是否足以掌握处理软件指令的时间，另外对于hall-sensor信号变化的资料存取方式也影响到处理器效能与判定正确性、实时性。至于低转速的速度控制尤其是低速起动则因为回传的hall-sensor信号变化变得更慢，怎样撷取信号方式、处理时机以及根据电机特性适当配置控制参数值就显得非常重要。或者速度回传改变以encoder变化为参考，使信号分辨率增加以期得到更佳的控制。电机能够运转顺畅而且响应良好，P.I.D.控制的恰当与否也无法忽视。之前提到直流无刷电机是闭回路控制，因此回授信号就等于是告诉控制部现在电机转速距离目标速度还差多少，这就是误差(Error)。知道了误差自然就要补偿，方式有传统的工程控制如P.I.D.控制。但控制的状态及环境其实是复杂多变的，若要控制的坚固耐用则要考虑的因素恐怕不是传统的工程控制能完全掌握，所以模糊控制、专家系统及神经网络也将被纳入成为智能型P.I.D.控制的重要理论。 

P.I.D控制简介 

一般P.I.D控制如下 

             (dutycycle)=(dutycycle)p + (dutycycle)i + (dutycycle)d 

（图三） 

P.控制(比例控制) ：输出与输入误差讯号成正比关系，即将误差固定比例修正，但系统会有稳态误差。

I .控制(积分控制) ：当系统进入稳态有稳态误差时，将误差取时间的积分，即便误差很小也能随时间增加而加大，使稳态误差减小直到为零。

D.控制(微分控制)：当系统在克服误差时，其变化总是落后于误差变化，表示系统存在较大惯性组件或(且)有滞后组件。微分即是预测误差变化的趋势以便提前作用避免被控量严重冲过头。 

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。 

DC无刷电机系列控制疑难杂症处理案例 

∙         欲以电流值的大小来判断目前电机的负载状况是否有过载的迹象，该如何测量? 

将电源线的其中一条拔起后，将电表（请先调至安培档）的一端接至驱动器的电源CONNECTOR其中一接脚，另一端则接至电源插座的另一接脚（如下图四），如此即可测量出在现阶段的负载下所必须耗费的电流值，之后再依此电流值来对照电机的电流/扭力对照表，如此即可得知目前的负载状况是正常或是 否有过载的情形发生。

1，如何正确选择伺服电机和步进电机？ 

主要视具体应用情况而定，简单地说要确定：负载的性质（如水平还是垂直负载等），转矩、惯量、转速、精度、加减速等要求，上位控制要求（如对端口界面和通讯方面的要求），主要控制方式是位置、转矩还是速度方式。供电电源是直流还是交流电源，或电池供电，电压范围。据此以确定电机和配用驱动器或控制器的型号。 

伺服电机选型步骤                    步进电机选型步骤 

2，选择步进电机还是伺服电机系统？ 

其实，选择什么样的电机应根据具体应用情况而定，各有其特点。请见下表，自然明白。 

根据电机的电流，配用大于或等于此电流的驱动器。如果需要低振动或高精度时，可配用细分型驱动器。对于大转矩电机，尽可能用高电压型驱动器，以获得良好的高速性能。 

4，2相和5相步进电机有何区别，如何选择？ 

2相电机成本低，但在低速时的震动较大，高速时的力矩下降快。5相电机则振动较小，高速性能好，比2相电机的速度高30~50%，可在部分场合取代伺服电机。 

5，何时选用直流伺服系统，它和交流伺服有何区别？ 

直流伺服电机分为有刷和无刷电机。

有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。 

无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。

交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。 

6，使用电机时要注意的问题？ 

上电运行前要作如下检查：

1）电源电压是否合适（过压很可能造成驱动模块的损坏）；对于直流输入的+/-极性一定不能接错，驱动控制器上的电机型号或电流设定值是否合适（开始时不要太大）； 

2）控制信号线接牢靠，工业现场最好要考虑屏蔽问题（如采用双绞线）； 

3）不要开始时就把需要接的线全接上，只连成最基本的系统，运行良好后，再逐步连接。 

4）一定要搞清楚接地方法，还是采用浮空不接。 

5）开始运行的半小时内要密切观察电机的状态，如运动是否正常，声音和温升情况，发现问题立即停机调整。 

7，步进电机启动运行时，有时动一下就不动了或原地来回动，运行时有时还会失步，是什么问题？ 

一般要考虑以下方面作检查：

1）电机力矩是否足够大，能否带动负载，因此我们一般推荐用户选型时要选用力矩比实际需要大50%~100%的电机，因为步进电机不能过负载运行，哪怕是瞬间，都会造成失步，严重时停转或不规则原地反复动。 

2）上位控制器来的输入走步脉冲的电流是否够大（一般要>10mA），以使光耦稳定导通，输入的频率是否过高，导致接收不到，如果上位控制器的输出电路是CMOS电路，则也要选用CMOS输入型的驱动器。

3）启动频率是否太高，在启动程序上是否设置了加速过程，最好从电机规定的启动频率内开始加速到设定频率，哪怕加速时间很短，否则可能就不稳定，甚至处于惰态。 

4）电机未固定好时，有时会出现此状况，则属于正常。因为，实际上此时造成了电机的强烈共振而导致进入失步状态。电机必须固定好。

5）对于5相电机来说，相位接错，电机也不能工作。 

8，  我想通过通讯方式直接控制伺服电机，可以吗？ 

可以的，也比较方便，只是速度问题，用于对响应速度要求不太高的应用。如果要求快速的响应控制参数，最好用伺服运动控制卡，一般它上面有DSP和高速度的逻辑处理电路，以实现高速高精度的运动控制。如S加速、多轴插补等。

9， 用开关电源给步进和直流电机系统供电好不好？ 

一般最好不要，特别是大力矩电机，除非选用比需要的功率大一倍以上的开关电源。因为，电机工作时是大电感型负载，会对电源端形成瞬间的高压。而开关电源的过载性能不好，会保护关断，且其精密的稳压性能又不需要，有时可能造成开关电源和驱动器的损坏。可以用常规的环形或R型变压器变压的直流电源。 

10，我想用±10V或4~20mA的直流电压来控制步进电机，可以吗？ 

可以，但需要另外的转换模块。 

11，我有一个的伺服电机带编码器反馈，可否用只带测速机口的伺服驱动器控制？ 

可以，需要配一个编码器转测速机信号模块。

12，  伺服电机的码盘部分可以拆开吗？ 

禁止拆开，因为码盘内的石英片很容易破裂，且进入灰尘后，寿命和精度都将无法保证，需要专业人员检修。

13，步进和伺服电机可以拆开检修或改装吗？ 

不要，最好让厂家去做，拆开后没有专业设备很难安装回原样，电机的转定子间的间隙无法保证。磁钢材料的性能被破坏，甚至造成失磁，电机力矩大大下降。 

14，几台伺服电机可以作同步运行吗？ 

 我们的产品是可以的。  

15，伺服控制器能够感知外部负载的变化吗？ 

 我们的产品是可以的，如遇到设定阻力时停止、返回或保持一定的推力跟进。 

16，可以将国产的驱动器或电机和国外优质的电机或驱动器配用吗？ 

原则上是可以的，但要搞清楚电机的技术参数后才能配用，否则会大大降低应有的效果，甚至影响长期运行和寿命。最好向供应商咨询后再决定。

17，使用大于额定电压值的直流电源电压驱动电机安全吗? 

正常来说这不是问题，只要电机在所设定的速度和电流极限值内运行。因为电机速度与电机线电压成正比，因此选择某种电源电压不会引起过速，但可能发生驱动器等故障。 此外, 必须保证电机符合驱动器的最小电感系数要求，而且还要确保所设定的电流极限值小于或等于电机的额定电流。 

事实上，如果你能在你设计的装置中让电机跑地比较慢的话 (低于额定电压)，这是很好的。 以较低的电压 (因此比较低的速度) 运行会使得电刷运转反弹较少，而且电刷/换向器磨损较小，比较低的电流消耗和比较长的电机寿命。 另一方面，如果电机大小的和性能的要求需要额外的转矩及速度，过度驱动电机也是可以的，但会牺牲产品的使用寿命。 

18， 我如何为我的应用选择适当的供电电源? 

推荐选择电源电压值比最大所需的电压高10%-50%。此百分比因Kt, Ke,以及系统内的电压降而不同。驱动器的电流值应该足够传送应用所需的能量。记住驱动器的输出电压值与供电电压不同, 因此驱动器输出电流也与输入电流不相同。为确定合适的供电电流，需要计算此应用所有的功率需求，再增加5%。按I = P/V公式计算即可得到所需电流值。

19，对于伺服驱动器我可以选择那种工作方式？ 

请见下表（以下模式并不全部存在于所有型号的驱动器中）

a. 如果在交流电源和驱动器直流总线（如变压器）之间没有隔离的话，不要将直流总线的非隔离端口或非隔离信号的地接大地，这可能会导致设备损坏和人员伤害。因为交流的公共电压并不是对大地的，在直流总线地和大地之间可能会有很高的电压。 

b. 在多数伺服系统中，所有的公共地和大地在信号端是接在一起的。多种连接大地方式产生的地回路很容易受噪音影响而在不同的参考点上产生电流。

c. 为了保持命令参考电压的恒定，要将驱动器的信号地接到控制器的信号地。 它也会接到外部电源的地，这将影响到控制器和驱动器的工作（如：编码器的5V电源）。 

d. 屏蔽层接地是比较困难的，有几种方法。正确的屏蔽接地处是在其电路内部的参考电位点上。这个点取决于噪声源和接收是否同时接地，或者浮空。要确保屏蔽层在同一个点接地使得地电流不会流过屏蔽层。

21， 减速器为什么不能和电机正好相配在标准转矩点? 

如果考虑到电机产生的经过减速器的最大连续转矩，许多减速比会远远超过减速器的转矩等级。 如果我们要设计每个减速器来匹配满转矩，减速器的内部齿轮会有太多组合(体积较大、材料多)。 这样会使得产品价格高，且违反了产品的“高性能、小体积”原则。

22，我如何选择使用行星减速器还是正齿轮减速器? 

行星减速器一般用于在有限的空间里需要较高的转矩时，即小体积大转矩。正齿轮减速器则用于较低的电流消耗，低噪音和高效率应用。

部分伺服驱动器故障检查方法参考: 

负载率(duty cycle)是指电机在每个工作周期内的工作时间/（工作时间+非工作时间）的比率。如果负载率低，就允许电机以3倍连续电流短时间运行，从而比额定连续运行时产生更大的力量。

24，标准旋转电机的驱动电路可以用于直线电机吗？ 

一般都是可以的。你可以把直线电机就当作旋转电机，如直线步进电机、有刷、无刷和交流直线电机。具体请向供应商咨询。

25，直线电机是否可以垂直安装，做上下运动？ 

可以。多数情况下，垂直安装时需要使动子滑块保持平衡或加装抱闸刹车。

26，在同一个平台上可以安装多个动子吗？ 

可以。只要几个动子之间不互相妨碍即可。

27，是否可以将多个无刷电机的动子线圈安装于同一个磁轨道上？ 

可以。只要几个动子之间不互相妨碍即可。

28，AMS的直线电机是否可以用于特殊环境，如水溅、真空、洁净室、辐射等环境？ 

可以提供。具体请与我们联系。

29，使用直线电机比滚珠丝杆的线性电机有何优点？ 

高精度、体积紧凑、外形高度低、长寿命、高速度、高加速度、响应快、运动平滑、控制精度高、可靠性好。此外由于没有机械连接部分，所以消除了被隙。

30，你们的滑台可以做多个组合一起使用吗？ 

是的。可以组合为XY, XZ, YZ, XYZ及其它灵活组合。