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有感无刷电机


无刷直流电机的驱动的基本原理

BLDC电机是同步电机中的一种。也就是说,定子产生的磁场与转子产生的磁场具有相同的频率。

定子:有两种类型的定子绕组:梯形和正弦电机。以定子绕组中线圈的互连方式为依据来区分这两种电机,不同的连接方式 会产生不 同类型的 反电动 势 (Electromotive Force,EMF)。梯形电机具有梯形的反电动势,正弦电机具有正弦形式的反电动势。除了反电动势外,两类电机中的相电流也有梯形和正弦之分。这就使正弦电机输出的转矩比梯形电机平滑。但是,随之会带来额外的成本,这是因为正弦电机中线圈在定子圆周上的分布形式会使绕组之间有额外的互连,从而增加了耗铜量。根据控制电源的输出能力,选择定子的额定电压合适的电机。48 伏或更低额定电压的电机适用于汽车、机器人和小型机械臂运动等应用。100 伏或更高额定电压的电机适用于家用电器、自动化和工业应用。

转子:转子用永磁体制成,可有2 到 8对磁极,南磁极和北磁极交替排列。

霍尔传感器 :BLDC电机的换向是以电子方式控制的。要使 BLDC电机转动,必须按一定的顺序给定子绕组通电。为了确定按照通电顺序哪一个绕组将得电,知道转子的位置很重要。转子的位置由定子中嵌入的霍尔效应传感器检测。 每当转子磁极经过霍尔传感器附近时,它们便会发出一个高电平或低电平信号,表示北磁极或南磁极正经过该

传感器。根据这三个霍尔传感器信号的组合,就能决定换向的精确顺序。

工作原理:每次换向,都有一个绕组连到控制电源的正极(电流进入绕组),第二个绕组连到负极 (电流从中流出),第三个处于失电状态。转矩是由定子线圈产生的磁场和永磁体之间的相互作用产生的。理想状态下,转矩峰值出现在两个磁场正交时,而在两磁场平行时最弱。为了保持电机转动,由定子绕组产生的磁场应不断变换位置,

因为转子会向着与定子磁场平行的方向旋转。 “六步换向”定义了给绕组加电的顺序。

换向顺序:每转过60 个电角度,其中一个霍尔传感器就会改变状态。因此,完成电周期需要六步。在同步模式下,每转过60 个电角度相电流切换一次。但是,一个电周期可能并不对应于完整的转子机械转动周期。完成一圈机械转动要重复的电周期数取决于转子磁极的对数。一般对于六步换向来说,n个磁极对把电机旋转角度分为360/(6*n个)°。每对转子磁极需要完成一个电周期。因此,电周期数/ 转数等于转子磁极对数。以彼此之间有 60 度相移的霍尔传感器信号为例。正如我们之前在 “霍尔传感器” 一节中讨论的,霍尔传感器彼此之间的相移可以是60°或 120°。在选择控制特定电机的控制器时,应遵循电机制造商定义的顺序 。如果标有PWMx 的信号根据该顺序在导通(ON)和关断( OFF)之间切换,则电机将以额定转速运行。这里假设直流母线电压等于电机额定电压加上开关两端的电压损耗。要改变转速,这些信号必须以远高于电机频率的频率进行脉宽调制 (Pulse Width Modulated,PWM)。作为一条经验法则, PWM 频率至少应该是电机最高频率的 10 倍。 PWM的占空比在一次换向过程中变化时,提供给定子的平均电压降低,从而降低了转速。 PWM的另一个好处是,如果直流母线电压比电机额定电压高得多,可通过限制 PWM占空比对应于电机额定电压的百分比来控制电机。这就增加了灵活性,可使控制器能与具有不同额定电压的电机协同工作,通过控制PWM 占空比使控制器的平均输出电压与电机额定电压匹配。

闭环控制:可通过测量电机的实际转速来对转速进行闭环控制。首先计算设定转速和实际转速间的误差。可以用比例- 积分 -微分 ( Proportional plus Integral plus Derivative,P.I.D.)控制器放大转速误差,动态调整PWM 占空比。对于低成本、低分辨率的转速要求,可用霍尔信号测量转速反馈。 可以用 PIC18FXX31 中的定时器计算霍尔信号两个边沿间的时间,并用该时间计算电机的实际转速。对于高分辨率转速测量,可在电机上安装光电式编码器,它能给出具有90 度相位差的两个信号。用这些信

号可以判定转速和转向。同时,多数编码器还给出第三个索引信号,电机每转动一周发出一个脉冲。它可以用在定位应用中。光电式编码器有不同的每转脉冲数(Pulse Per Revolution,PPR)可选,范围从几百到几千不等。


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