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  • 關注!淺析無刷直流電機的控制和調速方法有哪些

    導語: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產生的磁場作用下發生轉動。對于極對數為一,即含有一對磁極的電機來說,極間距為180°,而早期直流電機轉子為通電線圈,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,所以會產生電火花。換向器工藝復雜,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為受限,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,能不能將永磁體作為轉子,而把須通電的線圈作為定子呢?這樣即可解決換電刷的煩惱,也能避免電火花的產生。其實,目前的一種新型特種電機——無刷直流電機(BLDC),就采用了這種結構。說是直流電機,但事實上并不算是直流電機。大體思路是通過控制線圈通電的順序,對向線圈分到一組,同時通電流,使之產生相同方向的磁場。以三相BLDC為例,該電機極對數為三,讓每對“磁極”分別按一定順序導通,達到相當于磁場轉起來的效果。中間的永磁體轉子在磁場作用下總是有保持磁場方向相同的運動趨勢,便會“跟隨”轉動的磁場轉動。相當于不斷改變通電順序來達到使定子“轉”起來的目的。

     


    ▲ 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為三個安放在勵磁線圈氣隙處的Hall傳感器,作為檢測磁場的元器件,可以根據磁場方向變換電壓,其輸出為數字信號。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。因為只要通電,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,無需判斷電機是否為剛啟動的狀態,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

     

             難道無刷直流電機一定要連八根線嗎?沒有Hall傳感器就不能工作了嗎?其實不是的。我們知道定子是一塊永磁體,它在轉動時,它所產生的磁場也在轉動。這種轉動的磁場相對于定子線圈是運動的,變化的磁場會在定子線圈中產生感應電動勢,被稱為反電動勢。轉子在不同位置轉動時,三相線圈產生的反電動勢也不盡相同。所以我們只需測出反電動勢的某種狀態即可得知定子的轉動狀態。
     


    ▲ 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。因為當線圈通電反向后,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后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

     

             那么啟動時候沒有形成這種動態的過程,怎么辦呢?其實只需要確定一個啟動方向,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啟動位置,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電機良好的調速性能等特點,又具有交流電機結構簡單、無換向火花、運行可靠和易于維護等優點。在克服無刷直流電機控制成本高的困難之后,相信該電機會很得到更廣泛的應用。逐漸取代直流電機。小編就講述到這里,下期見!

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