※無(wú)刷電機(jī)簡(jiǎn)介

一個(gè)使用有刷電機(jī)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)可以提供一個(gè)好的，簡(jiǎn)單且有效率的解決方案滿足可變速度驅(qū)動(dòng)的要求。

雖然有刷電機(jī)有良好控制特性及耐用性，但其性能與運(yùn)用的范圍因?yàn)橛谢鸹ㄅc換相問(wèn)題而有所限制。

由于近代科技的進(jìn)步與微控制器的運(yùn)算處理和控制技巧的發(fā)展，無(wú)刷電機(jī)不再需要藉由機(jī)械式電刷換相(mechanical commutation)結(jié)構(gòu)來(lái)完成電流相位變換；相反地，是采用電子式換相(electronic commutation)來(lái)達(dá)成需求。

跟有刷電機(jī)一樣的是無(wú)刷電機(jī)也有線圈跟永久磁鐵的部分。但差異點(diǎn)在于，對(duì)無(wú)刷電機(jī)(Figure 3)而言，線圈現(xiàn)在是附著在定子(Figure 2)上，而轉(zhuǎn)子(Figure 1) 轉(zhuǎn)子是永久磁鐵做的。

轉(zhuǎn)子上的永久磁鐵生成磁通，而通電的定子繞組產(chǎn)生磁極。藉由使用適當(dāng)?shù)男蛄袨槎ㄗ酉辔还╇?，便可在定子上形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子跟隨著旋轉(zhuǎn)的磁極便會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩而旋轉(zhuǎn)。

 

對(duì)無(wú)刷電機(jī)來(lái)說(shuō)，這種新的機(jī)械結(jié)構(gòu)的安排，相較于有刷電機(jī)，提供了一些優(yōu)勢(shì)，其中包括:

● 較好的速度-力矩特性: 無(wú)刷電機(jī)不再因有刷結(jié)構(gòu)的接觸摩擦而損失輸出力矩。

● 高動(dòng)態(tài)反應(yīng): 因無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由永久磁鐵組成，可以有較低的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

● 高效率與可靠性: 無(wú)刷電機(jī)不再有換相結(jié)構(gòu)上因接觸問(wèn)題而導(dǎo)致的電壓降(損失)等等問(wèn)題

● 長(zhǎng)時(shí)操作壽命: 無(wú)刷電機(jī)無(wú)須考量電刷換相結(jié)構(gòu)的后續(xù)維護(hù)

● 較低的電子噪雜音: 因?yàn)闆]有電刷換相時(shí)的電弧所產(chǎn)生的電子訊號(hào)雜訊而引發(fā)電磁干擾的問(wèn)題。

● 較高的速度范圍: 無(wú)刷電機(jī)沒有電刷換相接觸部分的限制

● 可改善的電機(jī)特性: 無(wú)刷電機(jī)因改用電子式換相，可利用電路技術(shù)來(lái)改善換相行為。

有著這些優(yōu)勢(shì)，無(wú)刷電機(jī)在很多應(yīng)用場(chǎng)合上扮演著重要的角色，其中包括：

§ 汽機(jī)車產(chǎn)業(yè)應(yīng)用：

(1) 電動(dòng)車以及混和動(dòng)力車輛

(2) 電動(dòng)摩托車以及電動(dòng)腳踏車

(3) 電動(dòng)滑板

§ 家庭設(shè)備：

(1) 攪拌機(jī)

(2) 手持電動(dòng)工具

(3) 電扇

(4) 掃地機(jī)器人

(5) 抽排油煙機(jī)

(6) 洗衣機(jī)

(7) 室內(nèi)空調(diào)設(shè)備以及冰箱

 § 工業(yè)應(yīng)用：

(1) 線性電機(jī)

(2) 伺服電機(jī)

(3) 射出成形設(shè)備

(4) 工業(yè)機(jī)器人

(5) 自動(dòng)搬運(yùn)設(shè)備

※無(wú)刷電機(jī)運(yùn)行原理

基本的電機(jī)電機(jī)是一種可以將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的設(shè)備。

這種能量的轉(zhuǎn)換起始于將電流導(dǎo)入一根或數(shù)根的導(dǎo)線的方式來(lái)產(chǎn)生磁力場(chǎng)。

接下來(lái)，因?yàn)榇艌?chǎng)的極性關(guān)系，使得導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)與永久磁鐵產(chǎn)生相吸或相斥的力量而引起移動(dòng)。

在無(wú)刷電機(jī)上，為了能產(chǎn)生特定的磁場(chǎng)順序去驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子，則需要知道轉(zhuǎn)子上永久磁鐵的位置。兩個(gè)主要用來(lái)偵測(cè)轉(zhuǎn)子位置的方式有:

● 霍爾感應(yīng)器: 安裝在定子上來(lái)偵測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，提供功率元件的觸發(fā)時(shí)序(Figure 4)。

 

● 反電動(dòng)勢(shì)訊號(hào)偵測(cè): 此偵測(cè)方式為無(wú)感測(cè)器(sensorless)的主要技術(shù)。藉由量測(cè)未激磁相的端電壓(反電動(dòng)勢(shì))來(lái)估測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。因?yàn)槭褂梅措妱?dòng)勢(shì)的訊號(hào)作為轉(zhuǎn)子位置的訊息，所以在靜止與啟動(dòng)之間(尚未建立或未識(shí)別出反電動(dòng)勢(shì)訊號(hào)前)需要做特別的控制處理。

藉由上述兩種方式而得到轉(zhuǎn)子位置的資訊來(lái)切換電流流經(jīng)的路徑，便可以使無(wú)刷電機(jī)完成換相并開始周期性的旋轉(zhuǎn)行為。

無(wú)刷電機(jī)較常用的換相技術(shù)有六步(six-step)方波，弦波以及磁場(chǎng)導(dǎo)向控制(FOC)(或稱向量控制(vector control))。

1. 六步方波

使用六步方波的驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，多數(shù)直接采用霍爾感應(yīng)元件來(lái)感測(cè)轉(zhuǎn)子的位置。這是一種簡(jiǎn)單的也是最受歡迎的驅(qū)動(dòng)方式。以一個(gè)常用的三相電機(jī)為例子，以電氣角的變換觀點(diǎn)來(lái)看，其相電流導(dǎo)通120度電氣角后，關(guān)閉60度，接著以反方向?qū)?20度后再關(guān)閉60度(Figure 6)。主要的控制原則就是讓電流只流過(guò)三組繞線中的兩組繞線，便可以讓無(wú)刷電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。

 在六步方波的驅(qū)動(dòng)方式下，如果霍爾感應(yīng)器是被用來(lái)偵測(cè)轉(zhuǎn)子位置，則橋式變換器的開啟與關(guān)閉時(shí)機(jī)便如Figure 6所示。
三相電流流動(dòng)的方向如Figure 7所標(biāo)示。

 

1. 弦波

以弦波取代方波來(lái)驅(qū)動(dòng)無(wú)刷電機(jī)。在每相線圈中依特定時(shí)序施加弦波形式的電壓來(lái)控制電機(jī)電流的流入與流出。采取此方式來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)達(dá)時(shí)，僅以霍爾元件所感測(cè)的轉(zhuǎn)子位置的解析度是不足的。通常還需有一高解析度的感測(cè)器來(lái)回授轉(zhuǎn)子位置。 

2. 磁場(chǎng)導(dǎo)向控制(FOC)

此控制方法需較為復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)以及高運(yùn)算能力的微控制器。此方式是采取計(jì)算電流與電壓向量為基礎(chǔ)來(lái)決定電機(jī)的換相時(shí)機(jī)。此方式主要是以控制電流為主，所以可使用在一些經(jīng)常切換速度但要求特定力矩輸出的應(yīng)用場(chǎng)合。

※速度-力矩 圖

Figure 9是一般常見的無(wú)刷電機(jī)的速度-力矩圖。無(wú)刷電機(jī)的兩個(gè)力矩參數(shù)包含堵轉(zhuǎn)力矩以及額定力矩。
堵轉(zhuǎn)力矩是在圖面上的一點(diǎn)，當(dāng)電機(jī)輸出軸不旋轉(zhuǎn)，但力矩輸出為最大值的點(diǎn)。
額定力矩是圖面上的另一點(diǎn)，是當(dāng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)作在較高效率的點(diǎn)。
在給定的應(yīng)用中，選擇正確形式的電機(jī)是非常重要的。而所依據(jù)的參數(shù)中包括最大輸出力矩以及期望的速度操作范圍。

如果應(yīng)用中有很頻繁的啟動(dòng)及停止，甚至是在有額外的外在負(fù)載下頻繁的反轉(zhuǎn)，則電機(jī)將會(huì)被操作在額定輸出力矩跟堵轉(zhuǎn)力矩中間的區(qū)域。當(dāng)電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)時(shí)是處于從靜止的狀態(tài)進(jìn)入加速的狀態(tài)時(shí)，須有較大的輸出力矩用以克服外部負(fù)載以及電機(jī)本身的慣量。在此階段，甚至?xí)枰玫阶畲蟮牧兀簿褪嵌罗D(zhuǎn)力矩。

如果應(yīng)用上并無(wú)頻繁的速度變化，則可以讓電機(jī)操作在額定的速度。當(dāng)電機(jī)應(yīng)用在某一特定的操作速度區(qū)間時(shí)，選擇電機(jī)的額定速度高于平均的運(yùn)行速度是較為保險(xiǎn)的作法。

 

※無(wú)刷電機(jī)的應(yīng)用

● 固定負(fù)載的應(yīng)用

在一些應(yīng)用上，允許稍微的速度變化比維持精準(zhǔn)的速度來(lái)的重要。這些應(yīng)用中，其負(fù)載通常是直接與電機(jī)輸出軸結(jié)合的，比如風(fēng)扇。這種應(yīng)用通常要求的是低成本的控制器，運(yùn)作方式主要是采用所謂的開回路。

● 變動(dòng)負(fù)載的應(yīng)用

這種應(yīng)用是要求電機(jī)的速度變化范圍要很廣泛。這些應(yīng)用例子也許會(huì)要求高速控制的精確度并且有好的動(dòng)態(tài)反應(yīng)。常見的應(yīng)用包含在一般家庭的電動(dòng)設(shè)備，洗(干)衣機(jī)，冷氣壓縮機(jī)，幫浦以及機(jī)器人。

● 定位應(yīng)用

在這個(gè)應(yīng)用范疇中，通常系統(tǒng)是需要使用閉回路控制。主要的控制功能須包含力矩控制，速度控制以及位置控制。為達(dá)到閉回路控制，亦須要有所謂的感測(cè)器(比如:編碼器)來(lái)提供電機(jī)的實(shí)際速度與位置。