摘要：现在处于电气时代，在现代化的生产和生活中电动机的作用都是很重要的，不管是在工农业生产、交通运输、国防、航空航天以及医疗卫生、商业办公中，都使用了各种各样的电动机，有一些数据表示，我国生产的电能一大部分都用于电动机。所以可以看出，电动机与我们的生活有着很大的联系，在生活中的应用也越来越广泛。永磁无刷直流电机则是近些年来快速发展起来的一种新型的电机，它使用电子换相器取代有刷直流电机和机械换向，既具有交流电机结构简单、运行可靠，维护方便等优点，还具备直流电机运行效率高，调速性能好等诸多优点，而且转子采用永磁体励磁，无励磁损耗，在工业控制的各个领域已得到广泛的应用，本文就将探讨它的设计与控制。
关键词：电磁无刷；直流电机；设计与控制
前言
其实永磁无刷直流电机的发展是建立在传统的直流电机上边的，因此它也保留了很多传统电机的优点，但是又比传统的电机性能好，最受人们欢迎的还是因为它产生的噪声很低，使用效率也比较高，还有就是使用时间长，控制结构特别简单，所以目前国内也一直在研究永磁无刷直流电机，虽然有了一些成就，但是和国外一些比较先进的技术相比还是有一定的差距，所以我们先要探讨的是如何结合我国的实际情况，在永磁无刷直流电机技术上有所提高。
1.无刷直流电机控制原理
1.1无刷直流电机的结构
由于无刷直流电机是以传统的电机为基础设计的，所以两种电机的结构是基本相同的，而最大的不同主要体现在永磁无刷直流电机的电枢绕组是安装在定子上的，并且电机转子的转速是受电机定子旋转磁场的速度以及转子极数的影响。电机的直流无刷驱动器是由电源部分和控制部分组成的，电源部分是给电机提供三相电源，而控制部分则是按照需求和转换输入电源频率。电源部分一般输入的是直流电源，但是如果输入的是交流电的话，就需要先经过转换器把交流电变为直流电。直流电机主要是由永磁材料制造的定子、电枢、换向器以及电刷等一些结构组成，只要在电刷的两端通入电流，转向器就能够自动地改变磁场的方向，这样的话，直流电机就能够一直运转下去。而永磁无刷直流电机没有转向器和电刷，而是增加了一个位置传感器，其实电机的结构就会变得简单一点，制造成本和之后的养护成本都降低了很多，但是由于它不能够自动地转向，所以就需要提高电机控制器的成本。
1.2无刷直流电机的工作原理
因为永磁无刷直流电机中通入的是直流电，所以不能像有刷电机一样能够一直给转子通电，它只是把电输送给定子，它有外转子和内转子两种类型，它们地共同点就是只有定子带电。电机定子的线圈中心抽头是和电机的电源接在一块的，各相的端点则是和功率管相接，所以位置传感器导通时，功率管的G极连上12V的电压，之后相应的相线圈就被通上了电，因为有三个位置传感器，它们会随着转子的转动而转动，所以会依次通电，因此定子产生的磁场方向会不断地发生变化，电机转子就会根据磁场的变化转动起来。并且最重要的是电机在正常运行的任意情况下都只有两相是导通的，而每个循环时分成六部的，每相绕组中的电流导通的时长为和每个开关管的导通角都是120°电角度，永磁无刷直流电机的相电流是方波，而反电势则是梯形波，因此当方波电流和反电势同相的时候，可以获得和电流大小成正比的恒定不变的电磁转矩，如果相反的话，就会产生相应的反向电磁转矩。
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1.3无刷直流电机的系统组成
无刷直流电机的本体主要有转子和定子，其实在电磁结构上面它和传统的电机基本上是一样的，但是它的电枢绕组是在定子上面的，并且转子也是用永磁材料做成的，还需要用功率电子开关器件组成一个功率控制器才能够工作，而功率逆制器的主电路适合绕组的连接形式、电机的功率开关有很大的联系，可以说逆变器是整个电机的中心，因为逆变器产生方波比产生正弦波更容易一些，这样可以降低控制系统的成本，系统中的驱动电路是把控制电路中输出的比较弱的电信号进行功率扩大，然后就能把具有一定驱动能力的强信号输出，从而控制逆变电路中的开关管工作。
2.永磁无刷直流电机的总体设计
2.1系统的保护电路
电机的用途很广，电机在启动的瞬间或者堵转的时候，电流会迅速的增加，要是时间一旦变长那么电机就有可能被烧毁，为了保护电机，应该增设保护电路，它包括过流保护和短路保护。过流保护是防止电机中的电流过大，因为母线电流过大的话，电机的运行稳定和电机的寿命都会受到很大的影响，所以要进行保护。而短路保护则是防止电路发生故障的时候，电流会不经过负载，这样可能会在一瞬间产生很大的电流而损坏电机和电源，严重的话还会造成火灾，危害是特别大的。在电机的电路设计中还有就是霍尔传感器，它是通电导体的横截面上下之间存在电压差，然后霍尔传感器在电机的内部切割传感线变化从而引起电压的变化，这样就可以通过变化相应的相位和变化的间隔时间，确定电机的转向角度，同时知道角速度。这些保护电路简单可靠，效果还非常好，能够有效的保护电机，从而减少电机故障的发生，是永磁无刷直流电机系统中一个特别有用的设计。
2.2直流电机的检测方案
检测时首先应该检查电机的外观是否有划痕、碰伤或者外表皮电骡的现象，之后再转动转轴，标准就是能够可以灵活的转动，不会卡住不动，之后再看一下电机的接线是不是牢固，能够通电并且运行，电机在旋转的过程中不能存在摩擦，也就是说不会发出不正常的声音，也不会出现温度变高的情况，而对于电机的控制系统肯定是要有严格的信号检测的，并且不仅仅是开关控制状态的极限控制是需要的，如果电机的电流过大、电压过高或者说电机的温度太高、电压不足都可能会对系统正常工作的信号有很大的影响，而且大多数的闭环控制系统更是需要对状态信息进行检测，因为只有实际的检测并且利用检测的信号才能保证电机能够正常的工作，一般需要检测信号的部分有电流、电压、转子的位置和转速等，而在检测电流的时候，通常是让电流通过电阻产生压降，然后再检测电阻两端的电压就可以知道电流的大小了。
2.3直流电机系统的软件设计
对于永磁无刷直流电机而言，对它的软件设计主要是对电机的转速进行控制，软件设计还与电机中硬件电路的接口设计有很大的关系，而软件设计的主要思想是根据模拟中得到的数输给转速指令一个定值并且通过转向要求确定转速的多少，利用转子位置传感器检测到转子位置的信号变化从而计算出转子的实际转速。而控制软件的主要程序是完成对各个功能模块的初始化，包括事件管理器、启动电源等，主程序在进行一些必要的初始化工作之后会把电机启动起来，这是因为电机在刚刚启动的时候，是没有捕获中断产生的，是需要确定最初的转向控制字，只有将电机完全启动起来之后才可以利用捕获终端进行自动的电流转换。转向控制字是根据捕获单元捕获的霍尔位置传感器的不同状态产生的。
3.结语
目前永磁无刷直流电机的应用范围变得越来越广泛，所以对电机的性能也会有更高的要求，那么如何提高电机的性能，从而给人们带去更多的便利也是我们所要研究的重点。我们要根据电机的结构，清楚了解到电机的工作原理，因为永磁无刷直流电机的好处众多，从而加大对永磁无刷直流电机的研究力度，让电机更加方便人们的生活，让它的用途也更加广泛，同时还要完善电机的系统，实现电机的全数字化和智能化也是我们未来研究的方向，解决目前电机中存在的问题将会对之后电机在汽车、船舶、航天和家用电器中的应用有很大的推进作用。
参考文献：
[1].张琛.无刷直流电动机原理及应用（第二版）.北京：机械工业出版社，2004.7-23，182-218.
[2].方璃明，胡虔生.永磁直流无刷电机设计混合型专家系统的研究[J].微电机，2001（5）.
论文作者:周隽
论文发表刊物:《基层建设》2019年第16期
论文发表时间:2019/9/2
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