直流無(wú)刷電機(jī)工作原理(共4頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上直流無(wú)刷電機(jī)的優(yōu)越性 直流電機(jī)具有響應(yīng)快速、較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能，但直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)也正是它的缺點(diǎn)，因?yàn)橹绷麟姍C(jī)要產(chǎn)生額定負(fù)載下恒定轉(zhuǎn)矩的性能，則電樞磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)須恒維持90°，這就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花、碳粉因此除了會(huì)造成組件損壞之外，使用場(chǎng)合也受到限制。交流電機(jī)沒(méi)有碳刷及整流子，免維護(hù)、堅(jiān)固、應(yīng)用廣，但特性上若要達(dá)到相當(dāng)于直流電機(jī)的性能須用復(fù)雜控制技術(shù)才能達(dá)到?，F(xiàn)今半導(dǎo)體發(fā)展迅速功率組件切換頻率加快許多，提升驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能。微處理機(jī)速度亦越來(lái)越快，可實(shí)現(xiàn)將交流電機(jī)控制置于一旋轉(zhuǎn)的兩軸直

2、交坐標(biāo)系統(tǒng)中，適當(dāng)控制交流電機(jī)在兩軸電流分量，達(dá)到類(lèi)似直流電機(jī)控制并有與直流電機(jī)相當(dāng)?shù)男阅堋?此外已有很多微處理機(jī)將控制電機(jī)必需的功能做在芯片中，而且體積越來(lái)越小；像模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter，adc)、脈沖寬度調(diào)制(pulse wide modulator，pwm)等。直流無(wú)刷電機(jī)即是以電子方式控制交流電機(jī)換相，得到類(lèi)似直流電機(jī)特性又沒(méi)有直流電機(jī)機(jī)構(gòu)上缺失的一種應(yīng)用。 直流無(wú)刷電機(jī)的控制結(jié)構(gòu) 直流無(wú)刷電機(jī)是同步電機(jī)的一種，也就是說(shuō)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度及轉(zhuǎn)子極數(shù)(p)影響： n=120f / p。在轉(zhuǎn)子極數(shù)固定情況下，改變定子旋轉(zhuǎn)

3、磁場(chǎng)的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。直流無(wú)刷電機(jī)即是將同步電機(jī)加上電子式控制(驅(qū)動(dòng)器)，控制定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的頻率并將電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速回授至控制中心反復(fù)校正，以期達(dá)到接近直流電機(jī)特性的方式。也就是說(shuō)直流無(wú)刷電機(jī)能夠在額定負(fù)載范圍內(nèi)當(dāng)負(fù)載變化時(shí)仍可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)子維持一定的轉(zhuǎn)速。 直流無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器包括電源部及控制部如圖 (1) ：電源部提供三相電源給電機(jī)，控制部則依需求轉(zhuǎn)換輸入電源頻率。 電源部可以直接以直流電輸入(一般為24v)或以交流電輸入(110v/220 v)，如果輸入是交流電就得先經(jīng)轉(zhuǎn)換器(converter)轉(zhuǎn)成直流。不論是直流電輸入或交流電輸入要轉(zhuǎn)入電機(jī)線圈前須先將直流電壓由換流器(invert

4、er)轉(zhuǎn)成3相電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。換流器(inverter)一般由6個(gè)功率晶體管(q1q6)分為上臂(q1、q3、q5)/下臂(q2、q4、q6)連接電機(jī)作為控制流經(jīng)電機(jī)線圈的開(kāi)關(guān)?？刂撇縿t提供pwm(脈沖寬度調(diào)制)決定功率晶體管開(kāi)關(guān)頻度及換流器(inverter)換相的時(shí)機(jī)。直流無(wú)刷電機(jī)一般希望使用在當(dāng)負(fù)載變動(dòng)時(shí)速度可以穩(wěn)定于設(shè)定值而不會(huì)變動(dòng)太大的速度控制，所以電機(jī)內(nèi)部裝有能感應(yīng)磁場(chǎng)的霍爾傳感器(hall-sensor)，做為速度之閉回路控制，同時(shí)也做為相序控制的依據(jù)。但這只是用來(lái)做為速度控制并不能拿來(lái)做為定位控制。  圖一直流無(wú)刷電機(jī)的控制原理 要讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，首先控制部就必須根據(jù)

5、hall-sensor感應(yīng)到的電機(jī)轉(zhuǎn)子目前所在位置，然后依照定子繞線決定開(kāi)啟(或關(guān)閉)換流器(inverter)中功率晶體管的順序，如 下（圖二） inverter中之a(chǎn)h、bh、ch(這些稱(chēng)為上臂功率晶體管)及al、bl、cl(這些稱(chēng)為下臂功率晶體管)，使電流依序流經(jīng)電機(jī)線圈產(chǎn)生順向(或逆向)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子的磁鐵相互作用，如此就能使電機(jī)順時(shí)/逆時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到hall-sensor感應(yīng)出另一組信號(hào)的位置時(shí)，控制部又再開(kāi)啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)電機(jī)就可以依同一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)直到控制部決定要電機(jī)轉(zhuǎn)子停止則關(guān)閉功率晶體管(或只開(kāi)下臂功率晶體管)；要電機(jī)轉(zhuǎn)子反向則功率晶體管開(kāi)啟順序相反

6、。 基本上功率晶體管的開(kāi)法可舉例如下： ah、bl一組ah、cl一組bh、cl一組bh、al一組ch、al一組ch、bl一組 但絕不能開(kāi)成ah、al或bh、bl或ch、cl。此外因?yàn)殡娮恿慵傆虚_(kāi)關(guān)的響應(yīng)時(shí)間，所以功率晶體管在關(guān)與開(kāi)的交錯(cuò)時(shí)間要將零件的響應(yīng)時(shí)間考慮進(jìn)去，否則當(dāng)上臂(或下臂)尚未完全關(guān)閉，下臂(或上臂)就已開(kāi)啟，結(jié)果就造成上、下臂短路而使功率晶體管燒毀。  圖二當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，控制部會(huì)再根據(jù)驅(qū)動(dòng)器設(shè)定的速度及加/減速率所組成的命令(command)與hall-sensor信號(hào)變化的速度加以比對(duì)(或由軟件運(yùn)算)再來(lái)決定由下一組(ah、bl或ah、cl或bh、cl或)開(kāi)關(guān)導(dǎo)

7、通，以及導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)短。速度不夠則開(kāi)長(zhǎng)，速度過(guò)頭則減短，此部份工作就由pwm來(lái)完成。pwm是決定電機(jī)轉(zhuǎn)速快或慢的方式，如何產(chǎn)生這樣的pwm才是要達(dá)到較精準(zhǔn)速度控制的核心。高轉(zhuǎn)速的速度控制必須考慮到系統(tǒng)的clock 分辨率是否足以掌握處理軟件指令的時(shí)間，另外對(duì)于hall-sensor信號(hào)變化的資料存取方式也影響到處理器效能與判定正確性、實(shí)時(shí)性。至于低轉(zhuǎn)速的速度控制尤其是低速起動(dòng)則因?yàn)榛貍鞯膆all-sensor信號(hào)變化變得更慢，怎樣擷取信號(hào)方式、處理時(shí)機(jī)以及根據(jù)電機(jī)特性適當(dāng)配置控制參數(shù)值就顯得非常重要。或者速度回傳改變以encoder變化為參考，使信號(hào)分辨率增加以期得到更佳的控制。電機(jī)能夠運(yùn)轉(zhuǎn)順暢

8、而且響應(yīng)良好，p.i.d.控制的恰當(dāng)與否也無(wú)法忽視。之前提到直流無(wú)刷電機(jī)是閉回路控制，因此回授信號(hào)就等于是告訴控制部現(xiàn)在電機(jī)轉(zhuǎn)速距離目標(biāo)速度還差多少，這就是誤差(error)。知道了誤差自然就要補(bǔ)償，方式有傳統(tǒng)的工程控制如p.i.d.控制。但控制的狀態(tài)及環(huán)境其實(shí)是復(fù)雜多變的，若要控制的堅(jiān)固耐用則要考慮的因素恐怕不是傳統(tǒng)的工程控制能完全掌握，所以模糊控制、專(zhuān)家系統(tǒng)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也將被納入成為智能型p.i.d.控制的重要理論。 p.i.d控制簡(jiǎn)介 一般p.i.d控制如下 (dutycycle)=(dutycycle)p + (dutycycle)i + (dutycycle)d p.控制(比例控制)

9、：輸出與輸入誤差訊號(hào)成正比關(guān)系，即將誤差固定比例修正，但系統(tǒng)會(huì)有穩(wěn)態(tài)誤差。 i .控制(積分控制) ：當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)有穩(wěn)態(tài)誤差時(shí)，將誤差取時(shí)間的積分，即便誤差很小也能隨時(shí)間增加而加大，使穩(wěn)態(tài)誤差減小直到為零。 d.控制(微分控制)：當(dāng)系統(tǒng)在克服誤差時(shí)，其變化總是落后于誤差變化，表示系統(tǒng)存在較大慣性組件或(且)有滯后組件。微分即是預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)以便提前作用避免被控量嚴(yán)重沖過(guò)頭。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的保護(hù)措施 對(duì)于驅(qū)動(dòng)器還要有保護(hù)措施，當(dāng)負(fù)載過(guò)大或不當(dāng)使用時(shí)會(huì)造成大電流而將功率晶體管燒毀。為了保護(hù)因電流超過(guò)規(guī)格而破壞驅(qū)動(dòng)器，一般會(huì)以加大功率晶體管耐電流或加電流sensor做為保護(hù)。其次當(dāng)電機(jī)負(fù)載不小的時(shí)候，在停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)由電機(jī)端回送至驅(qū)動(dòng)器的能量及過(guò)電壓都將危及驅(qū)動(dòng)器，這可配合過(guò)電壓保護(hù)電路加上回生能量消散電路來(lái)防治。其它尚有hall-sensor正常與否判定也會(huì)影響pwm控制的正確性，這可由控制部判斷并適時(shí)警告即可。 dc無(wú)刷電機(jī)系列控制疑難雜癥處理案例 · 欲以電流值的大小來(lái)判斷目前電機(jī)的負(fù)載狀況是否有過(guò)載的跡象，該如何測(cè)量? 將