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「研究」什麽是無刷直流電機換向的有效方法?這三點你要知道!
發布時間:2018-10-31 13:48:29    點擊次數:586次   
「研究」什麽是無刷直流電機換向的有效方法?這三點你要知道!


「研究」什麽是無刷直流電機換向的有效方法?這三點你要知道!


無刷直流電機(或簡稱 BLDC電機)是一種采用直流電源並通過外部電機控製器控製實現電子換向的電機。不同於有刷電機,BLDC 電機依靠外部控製器來實現換向。簡言之,換向就是切換電機各相中的電流以產生運動的過程。有刷電機是指具有物理電刷的電機,其每轉一次可實現兩次換向過程,而 BLDC 電機無電刷配備,因此而得名。由於其設計特性,無刷電機能夠實現任意數量的換向磁極對。

與傳統有刷電機相比,BLDC 電機具有極大的優勢。這種電機的效率通常可提高 5-20;沒有電刷物理磨損,因而能減少維護;無論在什麽額定速度下都可以獲得平坦的轉矩曲線。雖然 BLDC 電機並不是新發明,但由於需要複雜控製和反饋電路,所以廣泛采用的進展較為緩慢。然而,由於近期半導體技術的發展、永磁體品質提升,以及對有效率不斷增長的需求,促使 BLDC 電機在大量應用中取代了有刷電機。BLDC 電機在許多行業找到了市場定位,包括白色家電、汽車、航空航天、消費、、工業化自動設備和儀器儀表等。

隨著行業朝著需要在更多應用中使用 BLDC 電機的方向發展,許多工程師不得不將目光投向該技術。雖然電機設計的基礎要素仍然適用,但添加外部控製電路也增加了另一係列需考慮的設計事項。在諸多設計問題中,重要的一點是如何獲取電機換向的反饋。

.電機換向 

在深入探索 BLDC 電機反饋選項之前,先了解為什麽需要它們至關重要。BLDC 電機可配置為單相、兩相和三相;其中常用的配置為三相。相數與定子繞組數相匹配,而轉子磁極數根據應用需求的不同可以是任意數量。因為 BLDC 電機的轉子受旋轉的定子磁極影響,所以須追蹤定子磁極位置,以有效驅動三個電機相。為此,需使用電機控製器在三個電機相上生成六步換向模式。 這六步(或換向相)移動電磁場,進而使轉子永磁體移動電機軸。

通過采用這種標準電機換向序列,電機控製器即可利用高頻率脈寬調製 (PWM) 信號,有效降低電機承受的平均電壓,從而改變電機速度。 除此之外,這種設置通過讓一個電壓源用於各種各樣的電機,大大提升了設計靈活性,即使直流電壓源大大高出電機額定電壓的情況也不例外。為了讓此係統保持相對於有刷技術的效率優勢,在電機和控製器之間需要安裝非常嚴格的控製回路。反饋技術的重要性就體現在這裏;控製器要能保持對電機的控製,它始終掌握定子相對於轉子的確切位置。預期和實際位置出現任何非對準或相移可能會導致意想不到的情況及性能下降。針對 BLDC 電機換向可采用許多方式來實現這種反饋,不過常見的方式是使用霍爾效應傳感器、編碼器或旋轉變壓器。另外,某些應用也會依靠無傳感器換向技術來實現反饋。


2.位置反饋 

自無刷電機誕生以來,霍爾效應傳感器一直是實現換向反饋的主力。 因三相控製僅需要三個傳感器且單位成本較低,所以單純從 BOM 成本角度來看,它們往往是實現換向經濟的選擇。電機定子中嵌入了檢測轉子位置的霍爾效應傳感器,這樣就可以切換三相電橋中的晶體管來驅動電機。三個霍爾效應傳感器輸出一般標記為 U、V 和 W 通道。 雖然霍爾效應傳感器能夠有效解決 BLDC 電機換向問題,但它們僅僅滿足了 BLDC 係統一半所需。

雖然霍爾效應傳感器能使控製器驅動 BLDC 電機,但遺憾的是,其控製是速度和方向。在三相電機中,霍爾效應傳感器隻能在每個電循環內提供角度位置。隨著磁極對數量的增加,每次機械轉動的電循環數量也增加,而且隨著 BLDC 的使用變得更加普及,對位置傳感的需求也由此增加。為確保解決方案穩健且完整,BLDC 係統應提供實時位置信息,從而使得控製器不僅可以追蹤速度和方向,還可以追蹤行程距離和角度位置。

為滿足對更嚴格位置信息的需求,常用的解決方案是向 BLDC 電機添加增量式旋轉編碼器。通常,除霍爾效應傳感器之外,還會在相同的控製反饋回路係統中添加增量編碼器。其中霍爾效應傳感器用於電機換向,而編碼器則用於更加準確地追蹤位置、旋轉、速度和方向。由於霍爾效應傳感器僅在每個霍爾狀態變化時提供新的位置信息,所以其精度隻達到每一電力循環六個狀態;而對雙極電機而言,僅為每一機械循環六個狀態。與能提供分辨率以數千 PPR(每轉脈衝數)計的增量編碼器(可解碼為狀態變化次數的四倍)相比,兩者均需的必要性就顯而易見了。

3.電容式換向編碼器

CUI Inc. 推出的增強型換向編碼器可同時解決這兩個問題。該編碼器基於其 AMT 係列產品中采用的電容技術。光學編碼器采用非常小的 LED,它們發出的光線透過光盤(帶有特定間隔的槽口),從而生成輸出圖案。AMT 編碼器原理與之類似,但不同之處在於 AMT 編碼器不是通過 LED 傳輸光線,而是傳輸電場。PCB 轉子將替換光盤,該轉子包含調節電場的正弦曲線圖案式金屬跡線。然後,調製信號的接收端回傳信號到發射器,此時通過專有 ASIC 將此信號與原始信號進行比較。該技術與數字遊標卡尺原理相同,具有好的可靠性和精度。

AMT3 係列換向編碼器提供增量輸出 A/B/Z 和換向輸出 U/V/W。設計包含電容式 ASIC 和板載 MCU 後,編碼器就可以產生數字輸出。 這種方式具有非常重要的作用,因為它能允許用戶按一下按鈕即可按數字形式設置編碼器的零位。隻需將 BLDC 電機鎖定到所需的相位狀態,並使用 AMT One Touch Zero™ 模塊或 AMT Viewpoint™ 編程 GUI 調零 AMT3 編碼器。這樣一來,就可以去掉反向驅動電機或使用示波器查看輸出信號的步驟,同時組裝時間也可大幅減少 20 分鍾。

總結 

的嚴格控製回路能讓 BLDC 電機在許多領域發揮好的優勢。 精度增加意味著功率損耗更少、更高,以及能讓終端用戶更好地控製 BLDC 操作。 當前,BLDC 電機廣泛已應用於多種多樣的領域中,包括外科手術機械臂、無人駕駛汽車、裝配線自動化等,並且很快將在還未設想的許多其它領域中獲得一席之地。 BLDC 電機市場在不斷增長,對 BLDC 電機的要求卻始終未變:市場需要低成本、位置傳感反饋的耐用電機。當與 BLDC 電機配合使用時,AMT3 係列編碼器能夠在安裝過程中節省寶貴的時間,同時簡化開發和製造流程。憑借其通用性、幾秒之內完成編程和調零設置的能力,以及與 AMT Viewpoint GUI 的兼容性,AMT3 編碼器很好地切合了快速增長的 BLDC 市場的需求。



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