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bldc无刷电机和直驱电机(高效bldc无刷电机使用要领)

宣布日期:2022-11-23 11:02

最基本的电机是“DC电机(有刷电机)” 。将线圈置于磁场中 ,通过流动的电流 ,线圈会受到一边磁极的排斥 ,同时受到另一边磁极的吸引 ,并在此作用下不绝旋转 。在旋转的历程中 ,流入线圈的电流反偏向流动 ,使其不绝旋转 。电机中有一个叫做“换向器”的部件 ,由“电刷”供电 。“刷子”的位置在“转向器”的上方 ,它随着转动而不绝移动 。通过改变画笔的位置 ,可以改变目今的偏向 。和换向器电刷是DC电机旋转不可缺氨赡结构(图1) 。

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图一:DC电机(有刷电机)的运转示意图 。

切换换向器线圈中的电流偏向 ,反转磁极偏向 ,使其始终向右旋转 。电刷向随轴旋转的换向器提供动力 。

活跃于多个领域的电机

我们凭据电源类型和旋转原理对电机进行了分类(图2) 。我们先简单看一下种种电机的特点和用途 。

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图2:电机的主要类型

DC电机(有刷电机)结构简单 ,操作便当 ,通常用于家用电器的“光盘托盘的开合”等用途 ;蛴糜谄档摹暗缍笫泳悼铡⑵蚩刂啤钡扔猛 。虽然它价格自制 ,可用于许多领域 ,但它也有一些缺陷 。由于换向器会与电刷接触 ,寿命很短 ,所以需要按期更换电刷或保修 。

步进电机将凭据发送给它的电脉冲的数量旋转 。它的运动量取决于发送给它的电脉冲的数量 ,因此它适合于位置调理 。一般在家里用于“传真机、打印机的进纸”等等 。因为传真机的送纸步数取决于规格(镌刻和细度) ,所以随电脉冲数旋转的步进电机使用起来很是便当 。一旦信号停止 ,机械就会暂时停止 ,这个问题很容易解决 。

同步电动机的转数随电源频率而变革 ,用于“微波炉转台”和其他应用 。电机组里有齿轮减速器 ,可以获得适合加热食物的转数 。感应电机也受电源频率的影响 ,但频率与转数纷歧致 。已往 ,这种交流电机用于电扇或洗衣机 。

可见种种电机在许多领域都很活跃 。其中 ,BLDC电机(无刷电机)有什么特点才华获得如此广泛的应用?

BLDC电机是如何旋转的?

“BL”在BLDC电机里是“无刷”的意思 ,也就是DC电机(有刷电机)里的电刷没了 。有刷DC电机(有刷电机)的作用是通过换向器给转子中的线圈通电 。那么BLDC无刷电机是如何给转子中的线圈通电的呢?原来 ,BLDC电机使用永磁体作为转子 ,转子中没有线圈 。由于转子中没有线圈 ,所以不需要换向器和电刷来通电 。相反 ,它是一个线圈作为定子(图3) 。

DC中牢固永磁体(有刷电机)爆发的磁场不会移动 ,但会被控制线圈(转子)爆发的磁场发动旋转 。通过改变电压来改变转数 。BLDC电机的转子是永久磁铁 ,通过改变周围线圈爆发的磁场偏向来旋转 。通过控制流向线圈的电流的偏向和巨细来控制转子的旋转 。

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图3:BLDC电机的运转示意图 。

BLDC电机使用永磁体作为转子 。由于不需要给转子通电 ,所以不需要电刷和换向器 。线圈的电力由外部控制 。

BLDC电机的优点

BLDC电机的定子上有三个线圈 ,每个线圈有两根导线 ,电机中有六根导线 。实际上 ,因为是内部接线 ,通常只需要三根线 ,但照旧比前面提到的DC电机(有刷电机)多了一根线 。简单接一下电池的正负极就不会动了 。如何运行BLDC汽车将在本系列的第二部剖析释 。这一次 ,我们应该把重点放在BLDC汽车的优势上 。

BLDC电机的第一个特点是“高效率” 。它可以控制其回转力(扭矩)始终坚持最大值 。关于DC电机(有刷电机)来说 ,最大转矩在旋转历程中只能坚持片刻 ,而不可一直坚持最大值 。DC电机(有刷电机)要想获得和BLDC电机一样的扭矩 ,只能加大磁铁 。这就是为什么小型BLDC汽车也能发出强大的力量 。

第二个特点是“好控制” ,和第一个有关 。BLDC电机可以获得你想要的扭矩 ,转数等等 。BLDC电性能准确反响目标转数、扭矩等 ?梢酝ü房刂评匆种频缁姆⑷群凸 。如果使用电池驱动 ,通过小心控制可以延长驱动时间 。

别的 ,它还具有耐用和低电气噪音的特点 。以上两点是无刷的优势 。但DC电机(有刷电机)由于电刷与换向器接触 ,恒久使用后会磨损 。接触部分也会爆发火花 。特别是换向器的漏洞碰到电刷时 ,会爆发巨大的火花和噪音 。如果你不想在使用历程中发出噪音 ,你会考虑使用BLDC电机 。

BLDC电机适用于这些方面

效率高、控制多样、寿命长的BLDC电机一般用在哪里?常用于能充分发挥其高效率、长寿命特点并能连续使用的产品中 。好比:家电 。人们使用洗衣机和空调已经有很长时间了 。最近 ,BLDC电机已用于电电扇 ,耗电量已大大减少 。正是因为效率高 ,功耗才降低 。

BLDC电机也用于真空吸尘器 。在某种情况下 ,通过改变控制系统 ,转数大大增加 。这个例子显示了BLDC电机良好的可控性 。

作为重要的存储介质 ,硬盘的旋转部分也接纳了BLDC电机 。由于它是一台需要长时间运行的电机 ,所以它的耐用性很是重要 。虽然也可以用来抑制功耗 。这里的高效率也和低功耗有关 。

BLDC电机的用途另有许多

BLDC电机有望在更广泛的领域获得应用 。BLDC电机将广泛应用于小型机械人 ,尤其是在制造业以外的领域提供效劳的“效劳机械人” 。“定位对机械人来说很是重要 。难道不应该用以电脉冲数运行的步进电机吗?”也许有人会这么想 。但在动力控制方面 ,BLDC电机更合适 。别的 ,如果使用步进电机 ,机械人手腕等结构需要提供相当大的电流才华牢固在某个位置 。如果是BLDC电机 ,只能借助外力提供所需动力 ,从而抑制功耗 。

也可以用于交通运输 。恒久以来 ,简单的DC电机大多用于电动汽车或老年人的高尔夫球车 ,但最近 ,具有良好可控性的高效BLDC电机已被使用 。通过微妙的控制 ,可以延长电池的连续时间 。BLDC发动机也适用于无人机 。特别是关于多轴框架的无人机 ,由于它是通过改变螺旋桨的转数来控制航行姿态的 ,所以能够精确控制旋转的BLDC电机具有很大的优势 。

最近怎么样?BLDC电机是一种高效率、可控性好、寿命长的优质电机 。然而 ,如果我们想最大限度地发挥BLDC发动机的功率 ,我们需要正确的控制 。怎么操作呢?

仅靠连接无法转动

转子BLDC电机是典范的BLDC电机之一 ,其外观和内部结构如下图所示(图1) 。有刷DC电机(以下称为DC电机)在其转子上有一个线圈 ,在其外侧有一个永久磁铁 。BLDC电机的转子上有永久磁铁 ,外部有线圈 。BLCD电机的转子没有线圈 ,是永磁体 ,不需要给转子通电 。实现了无电刷的“无刷型” 。

另一方面 ,与DC电机相比 ,控制变得越发困难 。不但仅需要将电机上的电缆连接到电源 。甚至电缆的数量也差别 。与“将正极()和负极(-)接到电源上”差别 。

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图1:BLDC电机的外观及内部结构

转子是永久磁铁 ,所以不可通电 。没有电刷和换向器 ,使用寿命可以延长 。

改变磁通量的偏向

为了旋转BLDC电机 ,必须控制线圈的电流偏向和正时 。图2-A是对BLDC电机的定子(线圈)和转子(永磁体)建模的结果 。用这张图 ,想想转子的转动 ?悸鞘褂3个线圈 。虽然保存实际使用六个或更多线圈的情况 ,可是凭据原理 ,每隔120度安排一个线圈 ,并且使用三个线圈 。将电机的电能(电压、电流)转换成机械旋转 。图2-A中的BLDC电机是如何旋转的?我们先来看看电机里爆发了什么 。

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图2-A:BLDC电机转动原理

BLDC电机中每隔120度安排一个线圈 ,总共安排三个线圈来控制通电相或线圈的电流 。

如图2-A所示 ,BLDC电机使用3个线圈 。这三个线圈是用来通电后爆发磁通量的 ,划分命名为U、V、w ,试着给线圈通电 。线圈U(以下简称“线圈”)上的电流路径记为U相 ,V记为V相 ,W记为W相 。接下来我们来看看U相 。当U相通电时 ,将爆发图2-B所示箭头偏向的磁通量 。

但实际上U、V、W的电缆都是相互连接的 ,不可能只给U相通电 。此处 ,当U相通电至W相时 ,将在U和W中爆发磁通量 ,如图2-C所示 。U和W的两个磁通量合并成为更大的磁通量 ,如图2-D所示.永磁体将旋转 ,使得合成磁通量与中心永磁体(转子)的N极偏向相同 。

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图2-B:BLDC电机的转动原理

从U到w通电 ,首先只注意线圈的U部分 ,发明会爆发箭头一样的磁通量 。

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图2-C:BLDC电机的转动原理

当U相通电到W相时 ,会爆发两个偏向差别的磁通量 。

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图2-D:BLDC电机的转动原理

当U相被激励到W相时 ,可以认为爆发了由两个磁通量组成的磁通量 。

如果复合磁通量的偏向改变 ,永久磁铁也会改变 。凭据永磁体的位置 ,切换U相、V相和W相的通电相位 ,以改变合成磁通量的偏向 。如果连续进行这种操作 ,爆发的磁通量将旋转 ,从而爆发磁场 ,转子将旋转 。

图3示出了通电相位和合成磁通量之间的关系 。在这个例子中 ,如果激励模式从1到6依次改变 ,合成磁通量将顺时针旋转 。通过改变复合磁通量的偏向和控制速度 ,可以控制转子的旋转速度 。切换这六种上电模式来控制电机的控制方法称为“120度上电控制” 。

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图3:转子的永久磁石会像被合成磁通量牵引一样旋转 ,电机的轴也会因此旋转

使用正弦波控制 ,进行流畅的转动

接下来 ,虽然合成磁通量的偏向会在120度通电的控制下旋转 ,可是只有六个偏向 。例如 ,如果图3中的“通电模式1”改变为“通电模式2” ,则合成磁通量的偏向将改变60度 。然后转子会像被吸引一样旋转 。接下来 ,通过从“激励模式2”改变到“激励模式3” ,合成磁通量的偏向将再次改变60度 。转子将再次被这种变革吸引 。这种现象会一再爆发 。这个行动会变得僵硬 。有时候这个行动会发出噪音 。

正是“正弦波控制”可以消除120度通电控制的缺点 ,实现平滑旋转 。在120度通电控制中 ,合成磁通量在六个偏向上是牢固的 ?刂 ,使其不绝变革 。在图2-C的例子中 ,U和W爆发的磁通量巨细相同 。然而 ,如果可以很好地控制U相、V相和W相 ,则线圈可以爆发差别的磁通量 ,并且可以精确地控制合成磁通量的偏向 。调理U相、V相和W相的电流 ,同时爆发复合磁通 。通过控制这种磁通量的连续爆发 ,电动机可以平稳地旋转 。

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图4:正弦波控制

正弦波控制可以控制三相上的电流 ,爆发复合磁通 ,实现平滑旋转 ?梢栽120度通电控制不可爆发的偏向上爆发合成磁通量 。

使用逆变器控制电机

U ,V ,W相的电流呢?为了便于理解 ,追念一下120度通电控制的情况 。请看图3

接下来看开机模式4 。在这种模式下 ,电流从W流向U ,与上电模式1的偏向相反 。在DC电机中 ,像这样的电流偏向转换是通过换向器和电刷的组合来实现的 。然而 ,BLDC汽车公司不使用这种联系方法 。使用逆变电路改变电流偏向 ?刂艬LDC电机时 ,一般接纳逆变电路 。

别的 ,逆变电路可以改变每相施加的电压 ,调理电流值 。在电压调理中 ,常用PWM(脉宽调制=脉宽调制) 。PWM是一种通过调解脉冲开/关的连续时间来改变电压的要领 ,重要的是开时间和关时间的比率(占空比)爆发变革 。如果ON的比率高 ,则可以获得与增加电压相同的效果 。如果ON的比率降低 ,可以获得与电压降低相同的效果(图5) 。

为了实现PWM ,现在有配备特殊硬件的微型盘算机 。正弦波控制需要控制三相的电压 ,所以软件比只有两相的120度通电控制稍微庞大一些 。逆变器是驱动BLDC电机的须要电路 。逆变器也用于交流电机 ,但可以认为BLDC电机险些用于家用电器的“逆变器型” 。

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图5:PWM输出与输出电压的关系

在一准时间内改变导通时间来改变电压的有效值 。

接通时间越长 ,有效值越接近施加100%电压时的电压(接通时) 。

使用位置传感器的BLDC电机

以上是BLDC电机控制的概述 。BLDC电机改变线圈爆发的复合磁通量的偏向 ,使转子的永磁体随之改变 。

其实在上面的描述中 ,另有一点没有提到 。也就是BLDC汽车公司的传感器 。BLDC电机凭据转子(永磁体)的位置(角度)进行控制 。因此 ,获取转子位置的传感器是须要的 。如果没有传感器知道永磁体的偏向 ,转子可能会朝意想不到的偏向转动 。如果有传感器提供信息 ,这种情况就不会爆发 。

表1显示了BLDC电机位置检测传感器的主要类型 。凭据控制方法的差别 ,所需的传感器也差别 。在120度通电控制中 ,为了确定给哪个相通电 ,配备了可以每隔60度输入信号的霍尔效应传感器 。另一方面 ,关于精确控制复合磁通量的“矢量控制”(下一项解释) ,角传感器或光电编码器等高精度传感器更有效 。

使用这些传感器可以检测位置 ,但也带来了一些缺点 。传感器防尘能力弱 ,维护必不可少 ?捎玫奈露裙婺R步跣 。为此使用传感器或增加布线会导致本钱增加 ,高精度传感器自己就很腾贵 。于是 ,“无传感器”的要领泛起了 。它不使用传感器进行位置检测 ,从而控制本钱 ,并且不需要与传感器相关的维护 。可是这次 ,为了解释原理 ,假设已经从位置传感器获得了信息 。

传感器种类主要用途特征霍尔效应传感器120度通电 ,控制每60度信号收罗一次 。价格更低 。不耐热 。光电正弦波控制和矢量控制有两种:增量式(可以知道离原位置的移动距离)和绝对式(可以知道目今位置的角度) 。区分率高 ,但抗灰尘能力弱 。该传感器具有正弦波控制和矢量控制的高区分率 。纵然在坚固和卑劣的情况中也能使用 。

表1:位置检测专用传感器的种类及特征

通过矢量控制时刻坚持高效率

正弦波被控制为三相通电 ,平滑地改变合成磁通量的偏向 ,因此转子将平滑地旋转 。20度通电控制切换U相、V相、W相两相使电机旋转 ,而正弦波控制需要精确控制三相电流 。并且控制值是一直变革的交流电值 ,所以控制变得越发困难 。

矢量控制来了 。矢量可以通过坐标变换来控制 ,三相交流值可以盘算为两相DC值 ,因此可以简化控制 。然而 ,矢量控制盘算需要高区分率的转子位置信息 。位置检测有两种要领 ,纵然用光电编码器或角传感器等位置传感器的要领 ,以及基于各相电流值的无传感器要领 。通过坐标变换 ,可以直接控制转矩(转动力)的相关电流值 ,实现无多余电流的高效控制 。

然而 ,在矢量控制中 ,需要使用三角函数的坐标变换或庞大的盘算处理 。所以在大大都情况下 ,盘算能力强的微型盘算时机被用作控制微型盘算机 ,好比配备FPU(浮点运算器)的微型盘算机 。

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