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直流無刷電機如何控制

作者:电机发烧友  来源:www.kuersi.cn/  更新时间:2020-05-16 19:11:42  点击次数:

  直流無刷電機如何控制

  電機,存在于我們生活中的方方面面。小到玩具車幾毛錢成本的小馬達,大到汽車高鐵上百馬力甚至輪船航母上萬馬力的電動機。電機可以起到電能和機械能相互轉化的作用,發電機和電動機均被稱作電機。除了太陽能電站和電池外,剩下的發電設施都要用到電機。泵的工作,機械臂運動,風扇轉動和機床工作等等,消耗掉了發電站發出來的絕大部分的電能。

直流有刷電機結構

  直流電機是應用很早的電機。通電線圈在電機內永磁體或勵磁線圈産生的磁場作用下發生轉動。對于極對數爲一,即含有一對磁極的電機來說,極間距爲180°,而早期直流電機轉子爲通電線圈,每半圈電流要進行一次換向。故出現了換向器和電刷。由于二者每半圈就要重新接觸一次,所以會産生電火花。換向器工藝複雜,所以電刷采用石墨材料已減少磨損成本。一段時間既要換一次電刷。所以直流電機不僅應用場合極爲受限,不能用在易燃易爆等場所,維護也很麻煩成本很高。

無刷直流電機

  那么,能不能将永磁体作为转子,而把须通电的线圈作为定子呢?这样即可解决换电刷的烦恼,也能避免电火花的产生。其实,目前的一种新型特种电机——無刷直流電機(BLDC),就采用了这种结构。说是直流电机,但事实上并不算是直流电机。大体思路是通过控制线圈通电的顺序,对向线圈分到一组,同时通电流,使之产生相同方向的磁场。以三相BLDC为例,该电机极对数为三,让每对“磁极”分别按一定顺序导通,达到相当于磁场转起来的效果。中间的永磁体转子在磁场作用下总是有保持磁场方向相同的运动趋势,便会“跟随”转动的磁场转动。相当于不断改变通电顺序来达到使定子“转”起来的目的。

帶有霍爾(Hall)傳感器的BLDC

  讓三個線圈按順序通斷需要采用一定的控制策略。圖中H1\H2\H3爲三個安放在勵磁線圈氣隙處的Hall傳感器,作爲檢測磁場的元器件,可以根據磁場方向變換電壓,其輸出爲數字信號。舉個例子,如果傳感器面臨的是N極則輸出高電平即邏輯信號‘1’,反之則輸出‘0’。這樣,三個Hall傳感器的輸出信號按一定順序排列,其中必有兩位是‘1’一位是‘0’,我們便可以根據返回的三位二進制數字來判斷轉子的轉動狀態。

簡化的三相BLDC示意圖

  而采用三相雖然控制上比兩相困難,但不需要進行死區判斷。因爲只要通電,Hall傳感器即會返回當前轉子的狀態,而根據這個狀態,按照下一時序對定子線圈進行通電,轉子磁場和定子磁場一定有夾角,其一定會轉起來。這樣,無需判斷電機是否爲剛啓動的狀態,只需要按照Hall傳感器發回的工作狀態執行下一步的命令即可。其發出的命令就是三對線圈的通斷,理論上可以通過三個開關控制。實際上這些開關是通過三極管來實現的。所以只需要按照一定順序給三對三極管通電或斷電即可實現三相BLDC的轉動。

無刷和有刷直流電機對比

  难道無刷直流電機一定要连八根线吗?没有Hall传感器就不能工作了吗?其实不是的。我们知道定子是一块永磁体,它在转动时,它所产生的磁场也在转动。这种转动的磁场相对于定子线圈是运动的,变化的磁场会在定子线圈中产生感应电动势,被称为反电动势。转子在不同位置转动时,三相线圈产生的反电动势也不尽相同。所以我们只需测出反电动势的某种状态即可得知定子的转动状态。

BLDC轉動過程

  隨著轉子轉動,每一線圈的感應電勢都從最高到零再到反向。因爲當線圈通電反向後,反電動勢會阻礙電壓的反向,所以會出現梯形波部分。這個梯形部分的零點正反部分電壓方向相反,所以經過電壓比較器後檢測電壓正負即可判斷電機定子的工作狀態。由于零點處于梯形中點,所以延遲30°再輸出相應時序的控制信號即可控制BLDC的轉動。這種控制方式不需要Hall傳感器,三根線即可驅動BLDC。其實小編猜想如果這個波形相對理想,直接對電壓進行積分即可獲得三組線圈電壓的曲線。從而實現對電機進行控制。

運行示意簡圖

  那麽啓動時候沒有形成這種動態的過程,怎麽辦呢?其實只需要確定一個啓動方向,先對該方向下線圈通電(低壓最好),使轉子短時間內轉到這個啓動位置,這樣按照接下來的時序動作進行通電,即可使電機轉起來。

特斯拉使用了很多電機

  無刷直流電機既具有直流电机良好的调速性能等特点,又具有交流电机结构简单、无换向火花、运行可靠和易于维护等优点。在克服無刷直流電機控制成本高的困难之后,相信该电机会很得到更广泛的应用。逐渐取代直流电机。

  直流無刷電機如何控制方法

  1、可以用電調,電調和逆變器有區別,簡化來說,逆變器工作情況固定以後就變成電調了,所以,電調可以用,但是轉速和方向也都是固定的,類似于開環控制方法,不能帶太重的負載。如果非要反轉,把V相和W相動力線換一下,也可以實現。

  2、逆变器需要附加的控制电路来控制,将直流电源逆变成一定频率一定幅值的正弦波,当然,对于無刷直流電機来说,需要逆变器输出的是方波,因为它的反电动势是方的,这种控制模式就是二楼说的伺服驱动了。这种控制方式很灵活,属于闭环控制,正反转都可以,也不会因重载失步,更可以集成很多保护功能。

  3、無刷直流電機的脉宽控制非常成熟,也很简单,早就有集成芯片可以做到了,也就是無刷直流電機驱动芯片,你可以再百度百度。

  4、所谓的电子换向器,个人理解哈,应该是指的电机换相的方法,而不是具体的物理实物,如果你这个無刷直流電機是三相的,那么它的换相实际上是通过逆变器完成的,逆变器的驱动控制实际上就是一种换相驱动,比如無刷直流電機驱动最常用的六步换相法,無刷直流電機的直流两个字表示的是其控制方法为PWM脉宽调制法,类似于直流电机的驱动方法,但实际上属于交流电机,它的无刷化就是通过三相逆变器的使用实现的。

  最後,建議你如果要了解更多,看看電機拖動和運動控制的相關內容就OK,如果要驅動你手上的電機,記下它的銘牌參數可直接購買配套驅動器

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