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直流無刷電機的工作原理

作者:卡卡  来源:www.51juicy.cn  更新时间:2020-03-01 12:15:46  点击次数:

  直流無刷電機的工作原理

  電機將供應的電能轉換爲機械能。常用的電機類型很多,其中,無刷直流電機(BLDC)因爲高效率及優異的可控性,而廣泛用于各種應用中。相對于其他類型的電機,BLDC電機具有省電的優勢。

  當工程師面臨設計電氣設備以執行機械工作的挑戰時,可能會思考如何將電信號轉換爲動能。而驅動器及電機就是能將電信號轉換爲運動的裝置,使加諸于電機上的電能轉換爲機械能。

  常見的電機類型

  電機類型以電源類型(交流或直流)及其産生旋轉的方法(如上圖所示)而有所不同。以下將簡要說明各類電機的特性及用途。

  有刷直流電機是最簡單的一種電機。在這種電機中,電流通過放置在固定磁場內的線圈時,于線圈周圍産生磁場,由于每個線圈都被固定磁場的同性磁極推開並受到異性磁極的吸引,使線圈組件旋轉。爲保持旋轉狀態,必須使電流不斷的反向,讓線圈的極性連續翻轉,使線圈不斷「追逐」異性的固定磁極。藉由使固定的導電刷與旋轉的換向器(commutator)接觸,供電給線圈,而換向器的旋轉造成了通過線圈的反向電流。換向器及電刷是區別有刷直流電機與其他種類電機的關鍵元件。

  有刷直流電機設計簡單且容易控制,廣泛用于打開與閉合光碟托盤。在汽車中,經常用以降下、升起及定位電動車窗。這些電機成本低,故適合許多應用。但缺點是電刷及換向器因爲持續接觸而容易較快磨耗,需要頻繁更換及定期維護。

  步進電機由脈沖驅動,隨著每一個脈沖旋轉至特定的角度(步進)。由于以接收到的脈沖數量准確地控制旋轉,這些電機廣泛用于位置調整。舉例來說,其經常用于傳真機和印表機的進紙控制,因爲這些裝置按照固定的段數進紙,能輕松地關聯至脈沖計數。而由于電機會在脈沖訊號中斷後立即停止旋轉,故亦能輕松進行暫停控制。

  由于同步電機的旋轉頻率與供應的電流頻率相同。這類電機經常用于驅動微波爐內的轉盤,利用電機單元中的減速機取得適當的轉速來加熱食物。然而感應電機的轉速亦會隨頻率而改變,但並非同步移動。這種電機過去經常用于電風扇和洗衣機內。

  還有許多常用的電機類型。

  直流無刷電機(简称为BLDC电机)——虽然挂着“直流”的名号——实际上是一种三相电流同步电机:转子跟随旋转磁场运转,其运动与施加在绕组上的交流电压同步。这种电机类型之所以通常被称为“无刷直流电机”是因为,在许多应用中,该电机可以替换有刷直流电机(有刷直流或换向器式电机)。在有刷直流电机中,施加直流电压后,电机中的机械逆变器(电刷)会产生与转速无关的交流电。

  配合電子驅動控制器(取代電刷的功能並將饋入的直流電轉換爲交流電),BLDC電機可以實現與有刷直流電機相當的性能,而無需使用壽命有限的電刷。因此,BLDC電機也被稱爲EC(電子換向)電機,以便與包含電刷的機械換向電機進行區分。

  另外一個經常使用的術語是PMSM,其中文全稱是“永久磁鐵型同步電機”。這裏的“永久磁鐵”用于與其他同步電機進行區分:其他同步電機依靠轉子上的勵磁繞組運轉,而BLDC則處于永久勵磁狀態。換而言之,即使不給定子通電,電機轉子也會通過永久磁鐵産生磁場。

  爲了用于區分帶有正弦感應電壓(反電動勢)的PMSM電機和帶梯形感應電壓的BLDC電機(見下文),PMSM和BLDC這兩個術語通常會並列出現。現在的大多數BLDC電機都具有正弦反電動勢。

  無刷電機的結構/類型

  大部分BLDC電機是“內轉子電機”,其定子帶有線圈,固定不動;中間的轉子則在轉軸上永久磁鐵的作用下旋轉。而在“外轉子電機”中,定子位于內側,轉子包括一個在外部旋轉的鍾形外殼,磁體安裝在該外殼上。

  內轉子電機的優勢在于轉子的轉動慣量低,散熱非常快。相反,在外轉子電機中,由于存在轉子外殼和磁體,發熱線圈與環境隔絕,散熱相對較慢。由于轉子的轉動慣量轉矩很大且很難控制轉子外殼的平衡,所以外轉子電機不適用于旋轉速度很高的模式。

  因此,內轉子電機在大多數工業應用中廣泛使用。外轉子電機在大批量生産應用中具有較大優勢,因爲這種模式可以降低生産成本。外轉子電機也可以擁有更短的結構並通常具備更小的齒槽轉矩,而由于在相同的磁力下,它的轉子直徑更大,因此其轉矩也更大。

  這兩種電機通常都設計成三相電機。不過,也有使用單相或兩相的設計。在下文中,將只研究三相BLDC電機,因爲Nanotec只生産三相電機産品。

  內轉子電機和外轉子電機均使用齒槽繞組,繞組線纏繞在定子極靴上(鐵芯),這樣繞組的磁場線就可以流出並彙聚成確定形狀。爲了讓渦流的電流損失降至最低,定子由相互抵消的薄絕緣金屬板制成。

  對非常小的電機來說,內轉子中一種非常重要的特殊設計形式就是無齒槽BLDC電機。它們的定子僅由環狀金屬片構成,內部附著一個粘連或封裝的扁平繞組。因爲沒有鐵芯,電機的電感非常低,而且繞組的電流增長非常快。此外,鐵損大幅減少,所以電機具有更高的效率等級。在慢速運行中,缺少轉矩波動可以帶來正面效應。與標准BLDC電機不同,極靴的磁場沒有增強,因此沒有齒槽轉矩。這種設計類型對直徑小于40mm的電機來說非常重要,因爲其功率密度相比有齒槽電機大幅提升。這是由于,因爲生産關系,有齒槽電機中繞組之間有很大部分的定子都是空的。而在無齒槽電機中,這個安裝空間可以完全填滿銅繞組。電機的直徑越小,無齒槽電機展現出來的優勢就越大。

  內轉子電機

  外轉子電機

  無齒槽-BLDC-電機

  BLDC電機是如何驅動的?

  顧名思義,無刷直流電機不使用電刷。若爲有刷電機,電刷透過換向器將電流送入轉子上的線圈內。那麽無刷電機如何將電流傳遞至轉子線圈?不需要,因爲線圈不在轉子上。相反的,轉子是一個永久磁鐵,線圈不會旋轉,而是固定在定子上。因爲線圈固定不動,故不需要電刷及換向器。

  有刷電機是藉由控制轉子上線圈産生的磁場進行旋轉,但靜止磁鐵産生的磁場是固定不變。如欲改變轉速,需改變線圈的電壓。若爲BLDC電機,是永久磁鐵在旋轉,藉由改變周圍固定線圈産生的磁場方向,使其旋轉。如欲控制旋轉,需調整進入線圈的電流大小及方向。

  BLDC電機的優點

  在定子上有三個線圈的BLDC電機,會有六條從這些線圈延伸出的電線(每個線圈兩條)。大部分的使用方式爲將其中三條導線在內部連接,而另外三條導線則從電機本體拉出(不像前述有兩條導線從有刷電機拉出)。在BLDC電機殼體內接線比單純連接電池的正極和負極要複雜,將于本系列第二節中詳細說明此等電機的工作原理。以下將說明BLDC電機的優點並進行總結。

  效率是其中的一大優勢,因爲這些電機可持續控制在最大旋轉力(扭力)上。相反的,有刷電機旋轉時只有在特定位置才能達到最大扭力。有刷電機若要能提供與無刷電機相同的扭力,必須使用更大的磁鐵,這就是即使小型BLDC電機仍能提供大功率的原因。

  與第一項有關的第二項優勢在于可控性。利用反饋機制,可控制BLDC電機精准地提供所需要的扭力及轉速。另一方面,精准控制可降低能耗及溫升,若電機由電池供電,則可延長電池壽命。

  而且因爲沒有電刷,BLDC電機還具備高耐用性且産生的電氣雜訊(electricnoise)極低。若爲有刷電機,電刷及換向器會因爲持續移動接觸而磨耗,並在接觸時産生火花。其中,電氣雜訊就是電刷通過換向器間隙時容易發生之強烈火花的結果。這也是在必須避免電氣雜訊的應用中,經常優先選用BLDC電機的原因。

  BLDC電機理想的應用場合

  我們已經知道BLDC電機能提供高效率、可控性,而且具有較長的使用壽命。那有什麽應用較爲合適呢?因爲高效率且長壽,使其廣泛用于連續運轉的裝置中。像是洗衣機、空調及其他消費性電子産品,因其高效率有助于大幅降低功耗,近年來也用在風扇上,吸塵器的驅動也是用BLDC電機來達成。只需要變更控制的方法,即可大幅提高電機的轉速,這是BLDC電機絕佳可控性的一個實例。

  BLDC電機也用于硬碟的驅動,在此情況下,其耐用性使硬碟機能長時間可靠運作,同時其能源轉換效率亦有助于在降低,在能耗變得日益重要的領域中達成此目標。

  未來的應用更寬廣

  我們預期未來將可看到更多BLDC電機的應用。例如:可能將廣泛地用于驅動服務型機器人,即在制造領域之外提供服務的機器人。有些人可能認爲步進電機較適合此等應用,因爲能利用脈沖精准地控制位置。但BLDC更適合用以控制力道。使用步進電機,若要使機械手臂固定在定點位置上,通常需要較大且連續的電流來維持。

  若使用BLDC電機,所需要的不過是與外力成比例的電流,進而進行更高能源轉換效率的控制。BLDC電機亦可取代高爾夫球車及代步車內的有刷直流電機。除更高的效率外,BLDC電機亦能實現更精准的控制,因而進一步延長電池壽命。

  BLDC電機也非常適合無人機的應用。精准控制的能力使其特別適合多旋翼無人機,因爲必須藉由精准控制每個旋翼的轉速,才能控制無人機的姿態。

  BLDC直流無刷電機的控制

  連接更爲複雜

  直流無刷電機的内部及外侧

  轉子爲永久磁鐵,不會有電流通過。不需要碳刷及整流子,因此使用壽命更長。

  上图所示为一种典型的直流無刷電機──内转子型的外观及内部结构。应注意的是此电机的永久磁铁安装在转子上,而线圈位于外侧。这与线圈在转子上而永久磁铁在外侧的典型有刷直流电机完全不同。由于直流無刷電機的转子不使用线圈,故不需为其提供电流,这也是没有碳刷的原因。

  直流無刷電機比有刷电机更难驱动。若为有刷电机,只需将电源连接至电机的正负极导线即可。但直流無刷電機的导线数量与有刷电机不同,连接较为复杂。

  直流無刷電機旋转原理

  典型配置:三個間隔120?的線圈。藉由控制相位及線圈電流驅動。

  欲使直流無刷電機旋转,需要知道电流进入线圈的方向及时机。图2(a)说明直流無刷電機的定子(线圈)及转子(永久磁铁)。我们将利用此图说明如何使转子旋转。在此例中将使用三个线圈,但实务上较普遍的做法为使用六个或更多线圈。但在此仅使用三个间隔120?的线圈。如上一节所述,电机负责将电能转换为机械能。那么图示中的电机是怎么做到的?我们来看看内部的情况。

  在我們的範例中展示一個三線圈繞阻的三相電機。分別將線圈標示爲U、V及W。記住,電流通過線圈會産生磁場。由于有三個線圈,故有三條可通過電流的路徑,分別稱爲U相(電流進入U線圈)、V相(進入V線圈)及W相。先來看U相。若電流只通過U相,則産生的磁通量如圖2(b)箭頭所示。實際上,所有三個線圈是透過來自各線圈的一條導線相連,並且不可能單獨産生U相。圖2(c)顯示電流通過U及W線圈(相位「U及W」)時的情況,同樣以箭頭表示各線圈産生的磁通量。圖2(d)中的寬箭頭爲合成通量,即結合U與W磁場合成後的結果。此大的磁通量將導致內部轉子旋轉,直到轉子永久磁鐵的S和N極與此箭頭對齊(N極最接近箭頭尖端)。

  图2-B:直流無刷電機旋转原理

  電流先通過U再通過W。箭頭顯示線圈U産生的磁通量。

  图2-C:直流無刷電機旋转原理

  電流通過U及W。兩個箭頭分別表示線圈U及W産生的磁通量。

  图2-D:直流無刷電機旋转原理

  寬箭頭表示合成磁通量──U及W産生的磁通量之和。

  藉由持續切換磁通量使永久磁鐵不斷追逐線圈産生的旋轉磁場,維持旋轉。換句話說,必須連續切換使U、V及W通電,保持合成磁通量移動,才能産生能持續拉動轉子磁鐵的旋轉磁場。

  圖3顯示通電相位與磁通量之間的關系。如圖所示,依序從模式1切換至模式6將使轉子以順時針旋轉一圈。可藉由控制相位變化的速度控制轉速。我們將此處所述之6種模式控制法稱爲「120度方波控制」。

  圖3:不斷變化的合成磁通量持續拉動轉子磁鐵,使轉子以同樣的速度旋轉。

  正弦控制提供平順的旋轉

  利用120度方波控制,只有六个合成磁通量方向用以驱动电机。举例来说,从模式1切换至模式2(参见图3)使合成磁通量方向移动60?,进而拉动转子。从模式2切换至模式3使磁通量方向再移动60?,并再次拉动转子。重复此过程以驱动直流無刷電機,但这样的驱动方式则会产生对应的转矩涟波。在部分情况下,此涟波会造成不必要的振动与机械噪音。

  替代120度方波控制的方法,是利用正弦控制實現更平順且更安靜的操作。若是120度方波控制,連續循環通過六個固定的合成通量(如圖2(c)所示)會産生同樣大小的磁通量。但藉由更謹慎的控制進入U、V及W的電流,可在各線圈産生不同的磁通量大小,能更准確的改變合成磁通量。(參見圖4。)

  藉由精確調整進入三相中各相的電流,即能達到更連續的合成磁通量變化,進而使電機旋轉更平順。

  圖4:正弦控制

  藉由控制進入所有三相的電流,即能比120度方波控制達到更精准控制合成磁通量的大小及方向,以實現更平順的旋轉磁場。合成磁通量不再限于六個不連續的方向。

  以變頻器控制

  讓我們再次檢視進入U、V及W之電流的性質。爲求簡單,僅以120度方波控制說明運作原理。回到圖3,可看到在模式1中電流從U進入W,在模式2中從U進入V。如圖中箭頭所示,每次通電線圈組合的變化都會導致磁通量方向相應改變。

  现在来看模式4。此时电流从W进入V,刚好与模式1相反。若为有刷直流电机,则可藉由碳刷与整流子达到此等电流反转。按照定义,直流無刷電機无法使用碳刷或其他机械接触实现此等反转。相反的,一般是使用变频器电路进行此控制。

  而且使用變頻器電路亦可調整進入各線圈的電壓,因此還能控制電流的大小。調整電壓的典型方式爲透過脈沖寬度調變(PWM)。在此方式中,藉由延長或縮短脈沖導通(ON)時間(亦稱爲「責任周期」:導通時間以導通(ON)+斷開(OFF)切換間隔比率表示)改變電壓。增加責任周期具有與提高電壓相同的效果,減少責任周期則具有與降低電流相同的效果。(參見圖5。)

  可使用配备有专门硬体的MPU实现PWM输出。120度方波控制仅需要控制两相电压,在软体中即可相对容易的实现;但正弦控制是使用三相电压控制,控制上较为复杂。因此,需要适当的变频器电路以驱动直流無刷電機。应注意,变频器亦可与交流电机搭配使用。但在消费性电子产品中使用的「变频器类型」一词,通常是指直流無刷電機。

  圖5:PWM輸出vs.輸出電壓

  改變責任周期(各切換周期內的接通時間)會改變有效電壓。

  直流無刷電機及位置感测器

  如前所述,藉由持续改线圈产生之磁通量的方向性,驱动直流無刷電機。转子上的永久磁铁以相同的速度不断追逐移动的旋转磁场,造成转子旋转。

  但到目前为止都还没提到控制这些电机另一个重要因子:位置。由于直流無刷電機控制必须与转子(磁铁)位置协调,因此这些电机一般都会带有包含侦测位置的位置感测器。在不知道转子位置的情况下施加电流,可能会导致转子旋转方向错误。使用位置感测器即可防止此等问题。

  表1顯示這些電機中常用的位置感測器類型。不同的控制方法使用不同的感測器類型。訊號輸入間隔60?的霍爾元件(Hallelements)最適合采用120度方波控制的電機,在此情況下唯一要做的就是決定通電的相位。更精准的感測器,例如解角器(resolvers)及光學編碼器,更適合采用向量控制(說明如下)、更精細的控制電機內的磁通量。

  虽然感测器具有明显优势,但亦有其缺点。有些感测器对灰尘的耐受性非常低,而且需要定期维护。有些只能在有限的温度范围内正常运作。使用感测器及建置所有伴随电路会增加制造成本,而高精度感测器当然也最昂贵。目前市面上的「无感测器直流無刷電機」完全不需使用感测器,是降低零件及维护成本的一种方式。但本节旨在说明操作原理,故假设使用感测器以追踪转子位置。

  向量控制維持高效率

  如前所述,正弦控制利用三相電流平順的控制磁通量,以實現平順的旋轉。而120度方波控制在任一時間點僅使三相(U、V及W)中的兩相通電,正弦控制明顯更爲複雜,因其必須准確提供不同的電流量至全部三個相位。

  降低此複雜性的一個方法是向量控制,利用計算轉換座標空間,將三相交流值視爲兩相直流值處理。但此方法僅適用于能提供高解析度位置資訊之情況,以供計算使用。取得此資訊的一個方法是使用高精度感測器(光學編碼器、解角器等)。另一種「無感測器」法是依據進入各相之電流的大小預測位置。不論何種方式,轉換座標空間可直接控制與扭力有關的電流以實現高效率操作,幾乎不會浪費電流。

  實現向量控制需要密集的數學運算,包括快速求解轉換座標換算所需要的三角函數能力。用以控制這些電機的MCU通常包含FPU(浮點運算單元),必須要能提供強大與即時的運算能力。

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