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「研究」什么是无刷直流电机换向的有效方法?这三点你要知道!
发布时间:2018-10-31 13:48:29    点击次数:577次   
「研究」什么是无刷直流电机换向的有效方法?这三点你要知道!


「研究」什么是无刷直流电机换向的有效方法?这三点你要知道!


无刷直流电机(或简称 BLDC电机)是一种采用直流电源并通过外部电机控制器控制实现电子换向的电机。不同于有刷电机,BLDC 电机依靠外部控制器来实现换向。简言之,换向就是切换电机各相中的电流以产生运动的过程。有刷电机是指具有物理电刷的电机,其每转一次可实现两次换向过程,而 BLDC 电机无电刷配备,因此而得名。由于其设计特性,无刷电机能够实现任意数量的换向磁极对。

与传统有刷电机相比,BLDC 电机具有极大的优势。这种电机的效率通常可提高 5-20;没有电刷物理磨损,因而能减少维护;无论在什么额定速度下都可以获得平坦的转矩曲线。虽然 BLDC 电机并不是新发明,但由于需要复杂控制和反馈电路,所以广泛采用的进展较为缓慢。然而,由于近期半导体技术的发展、永磁体品质提升,以及对有效率不断增长的需求,促使 BLDC 电机在大量应用中取代了有刷电机。BLDC 电机在许多行业找到了市场定位,包括白色家电、汽车、航空航天、消费、、工业化自动设备和仪器仪表等。

随着行业朝着需要在更多应用中使用 BLDC 电机的方向发展,许多工程师不得不将目光投向该技术。虽然电机设计的基础要素仍然适用,但添加外部控制电路也增加了另一系列需考虑的设计事项。在诸多设计问题中,重要的一点是如何获取电机换向的反馈。

.电机换向 

在深入探索 BLDC 电机反馈选项之前,先了解为什么需要它们至关重要。BLDC 电机可配置为单相、两相和三相;其中常用的配置为三相。相数与定子绕组数相匹配,而转子磁极数根据应用需求的不同可以是任意数量。因为 BLDC 电机的转子受旋转的定子磁极影响,所以须追踪定子磁极位置,以有效驱动三个电机相。为此,需使用电机控制器在三个电机相上生成六步换向模式。 这六步(或换向相)移动电磁场,进而使转子永磁体移动电机轴。

通过采用这种标准电机换向序列,电机控制器即可利用高频率脉宽调制 (PWM) 信号,有效降低电机承受的平均电压,从而改变电机速度。 除此之外,这种设置通过让一个电压源用于各种各样的电机,大大提升了设计灵活性,即使直流电压源大大高出电机额定电压的情况也不例外。为了让此系统保持相对于有刷技术的效率优势,在电机和控制器之间需要安装非常严格的控制回路。反馈技术的重要性就体现在这里;控制器要能保持对电机的控制,它始终掌握定子相对于转子的确切位置。预期和实际位置出现任何非对准或相移可能会导致意想不到的情况及性能下降。针对 BLDC 电机换向可采用许多方式来实现这种反馈,不过常见的方式是使用霍尔效应传感器、编码器或旋转变压器。另外,某些应用也会依靠无传感器换向技术来实现反馈。


2.位置反馈 

自无刷电机诞生以来,霍尔效应传感器一直是实现换向反馈的主力。 因三相控制仅需要三个传感器且单位成本较低,所以单纯从 BOM 成本角度来看,它们往往是实现换向经济的选择。电机定子中嵌入了检测转子位置的霍尔效应传感器,这样就可以切换三相电桥中的晶体管来驱动电机。三个霍尔效应传感器输出一般标记为 U、V 和 W 通道。 虽然霍尔效应传感器能够有效解决 BLDC 电机换向问题,但它们仅仅满足了 BLDC 系统一半所需。

虽然霍尔效应传感器能使控制器驱动 BLDC 电机,但遗憾的是,其控制是速度和方向。在三相电机中,霍尔效应传感器只能在每个电循环内提供角度位置。随着磁极对数量的增加,每次机械转动的电循环数量也增加,而且随着 BLDC 的使用变得更加普及,对位置传感的需求也由此增加。为确保解决方案稳健且完整,BLDC 系统应提供实时位置信息,从而使得控制器不仅可以追踪速度和方向,还可以追踪行程距离和角度位置。

为满足对更严格位置信息的需求,常用的解决方案是向 BLDC 电机添加增量式旋转编码器。通常,除霍尔效应传感器之外,还会在相同的控制反馈回路系统中添加增量编码器。其中霍尔效应传感器用于电机换向,而编码器则用于更加准确地追踪位置、旋转、速度和方向。由于霍尔效应传感器仅在每个霍尔状态变化时提供新的位置信息,所以其精度只达到每一电力循环六个状态;而对双极电机而言,仅为每一机械循环六个状态。与能提供分辨率以数千 PPR(每转脉冲数)计的增量编码器(可解码为状态变化次数的四倍)相比,两者均需的必要性就显而易见了。

3.电容式换向编码器

CUI Inc. 推出的增强型换向编码器可同时解决这两个问题。该编码器基于其 AMT 系列产品中采用的电容技术。光学编码器采用非常小的 LED,它们发出的光线透过光盘(带有特定间隔的槽口),从而生成输出图案。AMT 编码器原理与之类似,但不同之处在于 AMT 编码器不是通过 LED 传输光线,而是传输电场。PCB 转子将替换光盘,该转子包含调节电场的正弦曲线图案式金属迹线。然后,调制信号的接收端回传信号到发射器,此时通过专有 ASIC 将此信号与原始信号进行比较。该技术与数字游标卡尺原理相同,具有好的可靠性和精度。

AMT3 系列换向编码器提供增量输出 A/B/Z 和换向输出 U/V/W。设计包含电容式 ASIC 和板载 MCU 后,编码器就可以产生数字输出。 这种方式具有非常重要的作用,因为它能允许用户按一下按钮即可按数字形式设置编码器的零位。只需将 BLDC 电机锁定到所需的相位状态,并使用 AMT One Touch Zero? 模块或 AMT Viewpoint? 编程 GUI 调零 AMT3 编码器。这样一来,就可以去掉反向驱动电机或使用示波器查看输出信号的步骤,同时组装时间也可大幅减少 20 分钟。

总结 

的严格控制回路能让 BLDC 电机在许多领域发挥好的优势。 精度增加意味着功率损耗更少、更高,以及能让终端用户更好地控制 BLDC 操作。 当前,BLDC 电机广泛已应用于多种多样的领域中,包括外科手术机械臂、无人驾驶汽车、装配线自动化等,并且很快将在还未设想的许多其它领域中获得一席之地。 BLDC 电机市场在不断增长,对 BLDC 电机的要求却始终未变:市场需要低成本、位置传感反馈的耐用电机。当与 BLDC 电机配合使用时,AMT3 系列编码器能够在安装过程中节省宝贵的时间,同时简化开发和制造流程。凭借其通用性、几秒之内完成编程和调零设置的能力,以及与 AMT Viewpoint GUI 的兼容性,AMT3 编码器很好地切合了快速增长的 BLDC 市场的需求。



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