和平精英今日公测下载慢: 【技術分享】深入淺出講解無刷直流電機基礎知識

2019-06-06 17:52:25 來源:中國網
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電機驅動器文化崛起剛剛幾年,我很自然地認為大部分人都不熟悉機電控制系統。為此我召開了幾次座談會,這真是有點費勁的事情。
 
但是我認為我有義務就這個話題培訓其他人,因為我很少看到高??緯壇思虻ソ檣蕓刂評礪壑庠僮銎淥步?。我的目標是深入淺出地介紹無刷直流電機。
 
所有電機都有個概念叫做“換向”,說的是切換電流(用某種方式)以便移動物理轉軸的過程。當電流流經線圈時轉軸就會移動,從而產生磁場(一般來說,是由永磁體產生的),這個磁場與原有磁場可能相斥,可能相吸。該力導致轉子(電機的運動部分)相對于定子(電機的靜止部分)而言發生運動。
 
磁體是換向的一個很好的類比。當把兩個磁體放在桌子上同極相對時,它們會相互排斥。當兩個同極距離足夠遠后,它們將停止移動。如果把一個磁體靠近第二個磁體,第二個磁體也會因同性相斥被推遠。如果繼續這樣做,磁體將持續移動,這就是換向的線性示例。
 
有刷直流電機實行機械換向,這意味著電機的物理結構實際上會導致電機換向。電刷與換向器接觸,隨著電機旋轉,電流通過電機線圈,將會使極性交替。這允許定子永磁體產生的磁場,始終與轉子產生的磁場相反,因而總能產生力?;禱幌蟣硎居興⒅繃韉緇恍柙詰緇譜檣鮮┘右恍┑繆辜純尚?,如圖 1所示。
 
圖 1. 有刷直流電機結構
 
很多讀者在看到本文的標題后很可能正處于迷惑中,因為到現在為止我還沒有談及無刷直流電機。不過,為了解釋“無刷”,我需要首先解釋電刷用在什么地方。
 
無刷電機的起源從頭來講也是比較簡單的:大部分有刷直流電機的問題都來自于電刷。電刷可能打火花、磨損、產生很強的噪音并產生很大一部分功耗,導致速度被嚴重限制,且不容易冷卻。這意味著您不能在任何易燃物周圍、需要長使用壽命、靜音或高效率的應用條件下、在任何高速或高功耗系統中使用有刷直流電機。這都是電刷顯著的缺點,取消電刷就可以解決這些問題,但是不好的地方是同時消除了機械換向。
 
缺乏機械換向會造成其它問題,因為電機需要換向。無刷電機使用電氣換向,聽起來很神奇嗎?這種換向方式下,您需要確保電機中的電流始終產生一個可以移動轉子的磁場。但是看看圖 2,您需要先知道轉子在哪里,才能考慮如何施加電流來移動轉子。
 
圖 2.無刷直流電機結構
 
無刷直流電機系統的首個重大結構決策是“有傳感器(sensored)”和“無傳感器(sensorless)”之分。您需要知道轉子在哪的話,有兩種方法能幫助您:
 
• 有傳感器法,通常使用霍爾效應傳感器或編碼器,來探測轉子的位置。雖然編碼器可以給予非常準確的角度反饋,但這種方法成本很高?;舳вΥ釁魘且恢趾蓯芑隊拇糯釁?。在三相無刷直流電機中,部署三個霍爾效應傳感器可以實現簡單的六步換向。
 
• 無傳感器法,位置估計通常涉及測量或估計電機旋轉時產生的逆電動勢(EMF)。逆電動勢是個復雜的話題,最好單獨講解。簡言之,它是電機線圈上生成的電壓,即電機速度及電機負載的函數。無傳感器法的本質上是一種估計,通常需要進行復雜的計算。隨著電機速度的下降(例如,對于位置控制的伺服電機),無傳感器法將變得異常困難,這是因為逆電動勢隨速度下降。
 
無刷直流電機系統的第二個重大結構決策是控制方法。如果您知道轉子在哪里,需要施加一定的電流來移動轉子的話,三相無刷直流電機需要至少六個不同的電位。圖 3是一張簡圖,您可以使用“梯形”、“六步”或“120度”的控制方法來找到無刷直流電機換向的方法。
 
圖 3. 有傳感器梯形換向
 
另外一種方法是為電機施加更平滑的電流波形,這稱之為“正弦波”控制或“180度”。與梯形控制相比,當與合適的電機配合使用時,這種控制方法能夠提高效率,降低噪音。缺點是要實現平滑電壓和電流分布,復雜性比較高,通常需要更準確的脈寬調制(PWM)計時器。
 
圖4. 正弦波整流
 
在寫這篇短文時,我很快就意識到這個主題其實非??矸?。如磁場定向控制、電機啟動、內轉子與外轉子、極數、Δ(Delta)與Y型繞組,以及許多細節本文無法一一述及。不過,我真心希望您能在讀過后,在電機知識方面有所受益。
 
 
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