直流無刷電機驅(qū)動原理(2024063743)

1、直流無刷電機的工作原理直流無刷電機的優(yōu)越性 直流電機具有響應(yīng)快速、較大的起動轉(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， 但直流電機的優(yōu)點也正是它的缺點，因為直流電機要產(chǎn)生額定負載下恒定轉(zhuǎn)矩的性能，那么電 樞磁場與轉(zhuǎn)子磁場須恒維持 90 °，這就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在電機轉(zhuǎn)動時會 產(chǎn)生火花、碳粉因此除了會造成組件損壞之外，使用場合也受到限制。交流電機沒有碳刷及 整流子，免維護、鞏固、應(yīng)用廣，但特性上假設(shè)要到達相當于直流電機的性能須用復(fù)雜控制 技術(shù)才能到達?，F(xiàn)今半導體開展迅速功率組件切換頻率加快許多，提升驅(qū)動電機的性能。微 處理機速度亦越來越快，可實現(xiàn)將交流電機控制置

2、于一旋轉(zhuǎn)的兩軸直交坐標系統(tǒng)中，適當控 制交流電機在兩軸電流分量，到達類似直流電機控制并有與直流電機相當?shù)男阅?。此外已有很多微處理機將控制電機必需的功能做在芯片中，而且體積越來越小；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 流無刷電機即是以電子方式控制交流電機換相， 得到類似直流電機特性又沒有直流電機機構(gòu)上缺 失的一種應(yīng)用。直流無刷電機的控制結(jié)構(gòu) 直流無刷電機是同步電機的一種，也就是說電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受電機定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度及轉(zhuǎn) 子極數(shù)(P)影響：N=120 . f / P

3、。在轉(zhuǎn)子極數(shù)固定情況下，改變定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。直 流無刷電機即是將同步電機加上電子式控制 (驅(qū)動器 )，控制定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率并將電機轉(zhuǎn)子 的轉(zhuǎn)速回授至控制中心反復(fù)校正，以期到達接近直流電機特性的方式。也就是說直流無刷電 機能夠在額定負載范圍內(nèi)當負載變化時仍可以控制電機轉(zhuǎn)子維持一定的轉(zhuǎn)速。 直流無刷驅(qū)動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，控制部那么依需 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。不管是直流電輸入或交流電輸入要轉(zhuǎn)入電機線圈前

4、須先將直 流電壓由換流器inverter轉(zhuǎn)成3相電壓來驅(qū)動電機。換流器 inverter 一般由6個功率晶體管Q1Q6分為上臂Q1、Q3、Q5/下臂Q2、Q4、Q6連接電機作為控制流經(jīng)電機線圈的開關(guān)?？刂撇磕敲刺峁?PWM脈沖寬度調(diào)制決定功率晶體管開關(guān)頻度及換流器inverter換相的時機。直流無刷電機一般希望使用在當負載變動時速度可以穩(wěn)定于設(shè)定值而不會變動太大的速度控制，所以電機內(nèi)部裝有能感應(yīng)磁場的霍爾傳感器hall-se nsor，做為速度之閉回路控制，同時也做為相序控制的依據(jù)。但這只是用來做為速度控制并不能拿來做為定位控制。圖一直流無刷電機的控制原理要讓電機轉(zhuǎn)動起來，首先控制部就必須根據(jù)

5、hall-se nsor感應(yīng)到的電機轉(zhuǎn)子目前所在位置，然后依照定子繞線決定開啟或關(guān)閉換流器inverter中功率晶體管的順序，如下圖二inverter中之AH、BH、CH這些稱為上臂功率晶體管及AL、BL、CL這些稱為下臂功率晶體管，使電流依序流經(jīng)電機線圈產(chǎn)生順向或逆向旋轉(zhuǎn)磁場，并與轉(zhuǎn)子的磁鐵相互作用，如此就能使電機順時/逆時轉(zhuǎn)動。當電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到hall-sensor感應(yīng)岀另一組信號的位置時，控制部又再開啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)電機就可以依同一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動直到控制部決定要電機轉(zhuǎn)子停止那么關(guān)閉 功率晶體管或只開下臂功率晶體管；要電機轉(zhuǎn)子反向那么功率晶體管開啟順序相反。根本上功率晶體管的開法

6、可舉例如下:AH、BL 一組t AH、CL 一組BH、CL 一組BH、AL 一組CH、AL 一組CH、BL 一組，但絕不能開成 AH、AL或BH、BL或CH、CL。此外因為電子零件總有開關(guān)的響應(yīng)時間，所以功率晶體管在關(guān)與開的交錯時間要將零件的響應(yīng)時間考慮進去，否那么當上臂或下臂尚未完全關(guān)閉，下臂或上臂就已開啟，結(jié)果就造成上、下臂短路而使功率晶體管燒毀。inverter砧JtCH廠rinrm 機JSBL JE_pCL圖二當電機轉(zhuǎn)動起來，控制部會再根據(jù)驅(qū)動器設(shè)定的速度及加/減速率所組成的命令Command與hall-sensor信號變化的速度加以比對或由軟件運算再來決定由下一組AH、BL或AH、C

7、L或BH、CL或開關(guān)導通，以及導通時間長短。速度不夠那么開長，速度過頭那么減短，此部份工 作就由PWM來完成。PWM是決定電機轉(zhuǎn)速快或慢的方式，如何產(chǎn)生這樣的PWM才是要到達較精準速度控制的核心。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間，另外對于hall-sensor信號變化的資料存取方式也影響到處理器效能與判定正確性、實時性。至于低轉(zhuǎn)速的速度控制尤其是低速起動那么因為回傳的hall-se nsor信號變化變得更慢，怎樣擷取信號方式、處理時機以及根據(jù)電機特性適當配置控制參數(shù)值就顯得非常重要。或者速度回傳改變以encoder變化為參考，使信號分辨率增加以期得

8、到更佳的控制。電機能夠運轉(zhuǎn)順暢而且響應(yīng)良好，P丄D.控制的恰當與否也無法無視。之前提到直流無刷電機是閉回路控制，因此回授信號就等于是告訴控制部現(xiàn)在電機轉(zhuǎn)速距離目標速度還差多少，這就是誤差Error知道了誤差自然就要補償，方式有傳統(tǒng)的工程控制如P丄D.控制。但控制的狀態(tài)及環(huán)境其實是復(fù)雜多變的，假設(shè)要控制的鞏固耐用那么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?？刂坪喗橐话憧刂迫缦?dutycycle)=(dutycycle)p + (dutycycle)i +(d utycycle)d圖三P.控制比例控制:輸出與輸

9、入誤差訊號成正比關(guān)系，即將誤差固定比例修正，但系統(tǒng)會有 穩(wěn)態(tài)誤差。I .控制積分控制:當系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)有穩(wěn)態(tài)誤差時，將誤差取時間的積分，即便誤差很小也 能隨時間增加而加大，使穩(wěn)態(tài)誤差減小直到為零。D.控制微分控制:當系統(tǒng)在克服誤差時，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)測誤差變化的趨勢以便提前作用防止被控量嚴重沖過 頭。電機驅(qū)動器的保護措施對于驅(qū)動器還要有保護措施，當負載過大或不當使用時會造成大電流而將功率晶體管燒毀。為了保護因電流超過規(guī)格而破壞驅(qū)動器，一般會以加大功率晶體管耐電流或加電流sensor做為保護。其次當電機負載不小的時候，在停止轉(zhuǎn)動時由電機端回送至驅(qū)動器的能量及過電壓都將危及驅(qū)動器，這可配合過電壓保護電路加上回生能量消散電路來防治。其它尚有hall-sensor正常與否判定也會影響 PWM控制的正確性，這可由控制部判斷并適時警告即可。DC無刷電機系列控制疑難雜癥處理案例?欲以電流值的大小來判斷目前電機的負載狀況是否有過載的跡象，該如何測量？將電