無感無刷電機基礎

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè) 無感無刷直流電機基礎原理作者永夜極光技術探討QQ 前言1.本文主要講解無感無刷直流電機的基礎原理部分，后續(xù)深入理解強烈推薦2. 如果發(fā)現(xiàn)我哪些內容講錯了，請加QQ不吝指正。 永夜極光 2017年 2 月 1. 無刷直流電機基礎知識1.1 三個基本定則搞電調不是設計電機,不要被無刷電機教材的磁路、 磁導率、去磁曲線等術語嚇倒，那些東西對搞電調的人來說，意義不大。對入門開發(fā)者來說，只需要記牢三個基本定則：左手定則，右手定則，右手螺旋定則。1.1.1 左手定則-通電導體在磁

2、場中受到力的作用導體受力方向伸開左手，使大拇指和其余四指垂直把手心面向 N 極，四指順著電流的方向，那么大拇指所指方向就是導體受力方向。力的大小: F = BILsinB 為磁感應強度（單位 T） I 為電流大?。▎挝?A）L 為導體有效長度（單位 m） F 為力的大小（單位 N）， 為： B 和 I 的夾角。1.1.2. 右手定則-導體切割磁感線,產生感應電動勢電動勢大?。?E = vBLsinv 為導體的運動速度（單位 m/s）B 為磁感應強度（單位 T）L 為導體長度（單位 m） 為B 和L的夾角。1.1.3.右手螺旋定則-通電螺線管能夠產生磁場磁場方向右手握住通電螺線管使四指彎曲與電流

3、方向一致大拇指所指的那一端就是通電螺旋管的 N 極。 1.1.4.磁鐵靜止時的指向靜止時,條形磁鐵方向與磁場方向相同1.2電機基本概念電動機: 電動機也叫馬達,電動機是將電能轉換成機械能的部件。轉子: 電動機工作時轉動的部分。定子: 電動機工作時不轉動的部分。內轉子電機:轉子在定子內部外轉子電機:轉子在定子外部繞組: 繞組就是定子或者轉子上的線圈，通電后就會形成一定的磁場，從而推動轉子旋轉磁極結構:后文的磁極只標明了表面的磁極,省略了不起作用的磁極極數(shù): N極,S級的總數(shù),右圖電機有6極極對數(shù): 一個南極(S極) ，一個北極(N極) ，算一對磁極 極對數(shù)=級數(shù)2,右圖電機有3極對機械角度: 就

4、是數(shù)學中的“空間幾何角度”，恒等于360度。電角度: 磁場每轉過一對磁極,導體的電動勢變化一個周期,定義一個周期為360電角度。 電角度=機械角度*極對數(shù)若電機有K對極,那么整個定子內圓有K*360電角度,右圖電機有4對極,因此一圈是360機械角度,1440電角度 KV值: 輸入電壓每增加 1 伏特，無刷電機空轉轉速增加值 轉速=KV*電壓1.比如KV=1000,那么當輸入電壓10V時,空轉轉速就是10000rpm (rpm=轉/分鐘)2.同系列同外形尺寸的無刷電機，根據(jù)繞線匝數(shù)的多少，會表現(xiàn)出不同的 KV 特性。繞線匝數(shù)多的，KV 值低，最高輸出電流小，扭力大；繞線匝數(shù)少的，KV 值高，最高

5、輸出電流大，扭力小?；魻杺鞲衅?霍爾傳感器感應磁場方向,并輸出高低電平(”1”和”0”),根據(jù)霍爾傳感器的輸出值,就能確定轉子的位置。 開環(huán):不將控制的結果反饋并影響系統(tǒng)閉環(huán):將控制結果反饋并影響系統(tǒng)死點:轉子在這些位置,電機無啟動力矩,一般是轉子磁場與定子磁場方向平行 軟啟動:使PWM的占空比緩慢上升到設定值N,P: N槽數(shù),P極數(shù),這與電機的結構有關頓感:用手轉動轉子，可感覺到的一頓一頓的感覺 轉一周頓感的次數(shù) = N和P的最小公倍數(shù)。比如12N8P的電機，轉一周將感受24次頓感。頓感強的電機與頓感弱的電機相比，啟動起來費力一些無感無刷電機: 無感指沒有霍爾傳感器,無刷指沒有碳刷1.3 內

6、轉子無刷直流電機的工作原理1.3.1轉子(磁鐵)受力情況分析i.轉子磁場方向與外部磁場方向垂直通電螺旋管產生磁場,磁鐵受到力的作用此時，轉子所受的力矩最大(不是力最大),轉子受力轉動力矩公式(T= FLsin),此時sin=1,力矩最大ii.轉子磁場方向與外部磁場方向平行此時,磁鐵受力最大,力矩=0,轉子不會轉動力矩公式(T= FLsin),此時sin=0,力矩最小注意:N,S極可以調換位置,力不變,斥力變成引力iii.轉子從垂直位置轉到水平位置由于慣性,還會繼續(xù)順時針轉動,此時改變電流方向,外部磁場方向變化了,轉子就會繼續(xù)順時針轉動。這樣不斷改變螺線管中的電流方向,那么轉子就會不停轉動,改變

7、電流方向這個動作就叫換相。注意：何時換相只與轉子的位置有關，而與轉速無關。1.3.2. 三相二極內轉子電機結構實際電機繞組結構很復雜,這里只對最簡單的三相兩極電機原理進行分析,多極電機的原理是類似的。1.右圖顯示了定子繞組的聯(lián)結方式（轉子未畫出），三個繞組以“Y”型的方式被聯(lián)結在一起。整個電機就引出三根線 A, B, C。2.當三根線 A, B, C之間兩兩通電時，有 6 種情況，分別是 AB, AC, BC, BA, CA, CB3.每次通電,根據(jù)1.1.4磁鐵靜止指向,轉子的N極趨向于與外部合磁場方向平行1.3.3. 轉動原理注意：轉子N極始終趨向于與合磁場方向平行。圖(a)中,AB 相通

8、電，轉子N極會往綠色箭頭方向對齊，當轉子到達圖(a)中綠色箭頭位置時，換相(改成 AC 相通電)，轉子就會繼續(xù)轉動，并往圖(b)中的綠色箭頭方向對齊，當轉子到達圖(b)中箭頭位置時，再次換相，改成 BC相通電，依此類推。當外線圈完成 6 次換相后，內轉子正好旋轉一周（即360 ）轉一圈的換相次數(shù)為了保持電機轉動,需要不斷改變電流的方向,每完成一個電周期,需要換相6次,也就是每60電角度要換相一次(注意是電角度,不是機械角度) 2級電機: 1圈=360電角度,轉一圈換相36060=6次 4級電機: 1圈=720電角度,轉一圈換相72060=12次正反轉改變通電的順序就能夠實現(xiàn)正反轉1.4. 換相

9、位置何時換相?換相的時候,力矩大小會突變,如果力矩波動過大,電動機就會抖動,為了減少抖動現(xiàn)象,就要讓力矩平滑變化,因此換相的最佳位置: 最大力矩處,落后30電角度 (電角度,不是機械角度!)為什么在最大力矩處,落后30電角度換相?因為每60電角度換相一次,因此要讓力矩最大點位于轉子轉動的中間時刻,那么在最大轉矩處落后30電角度的位置換相,換相后轉子位置超前力矩最大處30電角度,運行30電角度后轉矩最大,再運行30電角度后換相,整個60運行期間,轉矩波動最小。轉矩:力矩力矩最大位置:轉子磁場方向與線圈合磁場方向垂直多種換相位置的轉矩波動分析(1)如果在轉矩為0時換相,那么每60電角度的轉矩的變化

10、圖像如下一個電周期換相6次,轉矩變化圖像如下(2)如果在最大轉矩處換相,那么每60電角度的轉矩的變化圖像如下一個電周期換相6次,轉矩變化圖像如下如果在轉矩最大處落后30電角度換相(與磁場方向呈(90機械角度 - 30電角度),那么每60電角度的轉矩的變化圖如下一個電周期換相6次,轉矩變化圖像如下綜上所述,在力矩最大處落后30電角度換相,力矩波動最小注意:不要混淆機械角度和電角度假設是二級電機,那么換相時轉子N極與磁場方向成90機械角度 - 30電角度(30機械角度)=60機械角度假設是四級電機,那么換相時轉子N極與磁場方向成90機械角度 - 30電角度(15機械角度)=75機械角度1.5. 獲

11、取轉子位置我們知道了轉子的最佳換相位置,但是只有知道轉子的實際位置,再結合理論進行判斷才能正確換相,如何知道轉子的實際位置呢?有霍爾電機和無霍爾電機獲取轉子位置的方法并不同,有感無刷電機通過霍爾傳感器獲取位置,無感無刷電機有多種方法,常用反電動勢法有霍爾電機獲取轉子位置的方法-讀取霍爾值電機上裝了3個霍爾傳感器,根據(jù)不同的磁場強度,霍爾傳感器的值為1(高電平),或0(低電平),如下圖所示。3個霍爾傳感器,共有2*2*2=8種組合000 001 010 011 100 101 110 111其中000,和111是無效組合,剩下的6種組合,每種組合都確定了轉子的一個位置無霍爾電機獲取轉子位置的方法

12、-反電動勢法反電動勢法就是測量第三相的反電動勢,因為在 AB 相通電時，A,B兩相切割磁感線產生的反電動勢方向不變,未通電的一相(CN)反電動勢方向會改變,如下圖所示反電動勢:產生的感應電動勢與外加電源的方向相反,所以叫反電動勢C相電壓Ec=CC電動勢+中點電壓將中點電壓與Ec電壓在比較器中進行比較,比較器輸出會在換相后30電角度時發(fā)生跳變(高電平變低電平,或低電平變高電平),說明轉子已轉過 30電角度,到達了 t0 和 t1 中間的位置，只要再等 30就可以換相了。一個電周期(360電角度),3相電機的電流和反電動勢變化圖1.6. 換相策略與優(yōu)化理論上比較器跳變之后30電角度換相,問題是電機

13、轉過30電角度到底要多久時間?實際上到底何時換相呢?方法一: 認為電機勻速轉動,記錄AB通電到C相過零的時間t,后半段所需時間也是t方法二: 檢測到過零事件后，直接換相,此方法損失一點效率,但控制簡單如何控制好換相時刻來提高電機效率?定子產生的任意方向磁場都可以被分解平行和垂直于轉子磁場方向的,正交的磁場產生旋轉力,平行的磁場產生對軸承的壓力,因此,一個高效的無刷電機驅動的功能就是減少相互平行磁場,讓相互正交的磁場最大化。矢量控制法通過上面的分析,我們發(fā)現(xiàn)每60換相一次,效率依然很低,進一步提高效率的方法就是矢量控制法。固定的通電線圈產生固定的磁場方向，這完全由通過線圈的磁通大小和流經線圈的電

14、流相互作用決定的。三組線圈產生的磁場形成一個合磁場,通過不斷改變每相線圈的電流大小,從而改變合磁場的方向,讓合磁場方向與轉子磁場方向始終垂直,從而提高了效率。本攻略不詳細說明矢量控制法,感興趣的可以自行搜索。電機調速原理無刷直流電機的轉速和電壓是線性關系,由KV值可知,轉速=KV*輸入電壓單片機并不能輸出可調的直流電壓，于是只好變通一下，用脈寬調制（PWM）方式來控制電機的輸入電壓,PWM 占空比越高，等效電壓就越高，轉速越快一圈要換相多少次?每60電角度換相一次2對極1圈有720電角度,換相72060=12次4對極1圈有1440電角度,換相144060=24次1.7梯形波/方波無刷電機磁感應

15、強度 B 的分布情況為什么反電動勢波形是梯形波?這與無刷電機的磁感應分布強度有關梯形波無刷電機的磁感應強度現(xiàn)在來看一下內轉子磁感應強度的分布(圖1,與圖2),定義磁感應強度方向向外為正0A點，磁感應強度為零，然后開始線性增加AB段: 磁感應強度不變B180: B 點開始線性下降，到 180的時候下降到零。 圖1 圖2 根據(jù)E=BLV,轉子長度不變,在磁場內近似勻速轉動,那么反電動勢的波形也是梯形波方波無刷電機的磁感應強度不同的電機,A點位置不同。如果 A 非常接近 0的位置，上升和下降直線就會非常陡峭，“梯形波”就變成了“方波”。根據(jù)右手定則 E=BLV的公式，在勻速轉動下，各繞組產生的反電動

16、勢波形也呈方波。與此類似，“正弦波”電機就是一種磁感應強度呈正弦波圖形分布的直流無刷電機，正弦波電機的繞組結構和梯形波電機不同，進而驅動方式也不同，需要用到矢量分析法1.8. 一種近似分析模型之前的理論假設轉子磁場的磁力線是垂直穿過繞組的導線的。但事實上，磁力線總是傾向于沿磁阻最小的路徑前進，其實并不穿過導線，見下圖。圖 1-21 磁力線分布（摘自Industral Brushless Servomotors）如果要分析這種情況下轉子的受力情況，要用到復雜的磁鏈路分析理論。不過，事實上不用這么麻煩，實驗證明，高深的磁鏈路分析方法所得到的結果，和我們上面假設磁力線穿過導線的分析方法所得到的結果，

17、基本吻合。1.9反電動勢檢測與處理為什么 AN和 BN上產生的反電動勢相加略小于 電源電壓(12V)?因為線圈繞組本身的等效電阻很小（約 0.1 歐左右），如果反電動勢不大的話，端電壓加載在線圈繞組等效電阻上，會產生巨大的電流，線圈非燒掉不可。 t0時刻 t1時刻假設在額定轉速下 AN和 BN各產生 5.7V 的反電動勢，那么它們串聯(lián)起來就產生 11.4V 的反電動勢，那么加載在AB等效電阻上的電壓就為12 11.4 = 0.6 V，最終通過繞組 AB 的電流就是 0.6 / (2 0.1) = 3 A同理，CN之間也會產生 5.7V 的感生電動勢；不同的是：在 AB 相通電期間，CN的感生電

18、動勢會整個換一個方向，也即所謂的“過零點”。由于中點電勢值始終為 6V，CC的線圈產生的感生電動勢只能在以中點 6V 電勢為基準點的基礎上疊加，仍舊假設在額定轉速下 CC上會產生 5.7V 的感生電動勢，那么 C 點的電壓，變化范圍就是0.3V 11.7 V；(6-5.7=0.3V , 6+5.7=11.7V)也就是說，在 AB 相通電期間，只要一直監(jiān)測電機的 C 引線的電壓，一旦發(fā)現(xiàn)它低于6V，就說明轉子已轉過 30到達了 t0 和 t1 中間的位置，只要再等 30就可以換相了。這時候模擬比較器的作用就來了。一旦 C相輸出電壓低于 6V，比較器馬上可以感知并在輸出端給出一個下降沿。同理，任意

19、兩相通電,第三相都可以檢測出一個比較器跳變。消磁問題理論上比較器只會輸出一次跳變,實際上比較器可能輸出多次跳變,因此在軟件中要進行特別的處理。理論圖:實際圖:原因分析:理論只考慮了切割磁力線產生的反電動勢，沒有考慮線圈自身的電感。在 AB 到AC 的換相過程中，由于 B 相電流突然減小，產生感應電動勢，方向和電源電壓相同,與切割磁感線的電動勢相反，并疊加在中點之上，此時 B 端電位高于中點電位。注意(a)圖中 B 線圈的感生電動勢是導體切割磁力線產生的，而(b)圖中的續(xù)流電動勢是 B 線圈自身的電感產生的（其大小要高于切割磁力線的感生電動勢大?。?。當B相能量消耗完之后,切割磁感線產生的反電動勢

20、又起主要作用實測感應電動勢波形:圖中細細的直線就是假過零事件,需要在軟件中進行特別的處理1.10無霍爾電機啟動方法三段式啟動法:預定位 開始不知道轉子位置,先給任意兩相通電,等待一段時間后使下一個相鄰狀態(tài)通電(通電一次,轉子可能位于死點,通電兩次,轉子一定會轉動),這一磁場能將電機轉子強行定位于這個方向上。轉子最終會停留在一個確定的位置,然后進入加速階段 預定位的PWM占空比和時間由具體電機特性和負載決定，在實際調試中測得。若時間太短則不能保證完成，時間太長又會造成過流，必須通過反復試驗制定合適的通電時間。而且若啟動時的負載變化，通電時間也要變化。加速運行階段 在經過一段時間的延時之后輸出相應

21、的 PWM 調制信號，對直流無刷電機進行開環(huán)控制。由于電機的換相邏輯是外部強制輸入的，PWM 的占空比過大會使電機產生過大的轉矩，導致轉子在運行過程中發(fā)生振蕩。因此 PWM 信號的占空比應該從克服轉子慣性所需的最小值開始，逐漸提高，加大電機的供電電流。同時應逐漸減少換相之間的等待時間，提高電機的轉速。 加速分三類,各有優(yōu)缺點。：換相信號頻率不變，逐步增大外施電壓使電機加速，稱為恒頻升壓法。保持外施電壓不變，逐漸增高換相信號的頻率，使電機逐步加速，稱為恒壓升頻法。在逐步增大外施電壓的同時，增高換相的頻率，稱為升頻升壓法。升頻升壓法給電機施加一個由低頻到高頻不斷加速的他控同步切換信號，而且電壓也在

22、不斷地增加。通過調整電機換相頻率，即可調整電機起動的速度。調整方法比較簡單。但難實現(xiàn)，切換信號的頻率的選擇要根據(jù)電機的極對數(shù)和其它參數(shù)來確定，太低電機無法加速，太高電機轉速達不到會有噪聲甚至無法啟動，算法比較困難。此階段電機控制是盲區(qū)。參數(shù)在調試好的時候，可以快速切換至正常運行狀態(tài)；而參數(shù)不理想時，電流可能不穩(wěn)甚至電機會抖動。因此，應根據(jù)電機及負載特性設定合理的升速曲線，并在盡可能短的時間內完成切換。開環(huán)控制切換到閉環(huán)控制 在加速階段開始時，位置檢測模塊便開始工作，不斷地檢測反電動勢的過零點。當連續(xù)檢測到三個過零事件時，說明電機當前的轉速及反電勢的幅值達到了無傳感器運行的要求。此時將電機切換至

23、無位置傳感器控制模式1.11 常見問題1.11.1為什么電機堵轉,電流很大?正常工作時,電機旋轉產生反電動勢,實際加在兩相電阻上的電壓很低,電流很小堵轉時,電壓全部加在導通兩相的電阻上,電流就變得很大以上圖為例,假設AB兩相之間的電阻為1正常工作時,反電動勢為11V,那么加在電阻上的電壓是1V,電流=1V/1=1A。堵轉時,反電動勢為0V,加在電阻上的電壓是12V,電流=12V/1=12A。1.11.2 mos驅動的死區(qū)時間是什么?有什么作用?MOS驅動控制MOS管:HO控制MOS上管LO控制MOS下管1表示高電平0表示低電平HO=1 , MOS上管導通HO=0 , MOS上管截止LO=1 ,

24、 MOS下管導通LO=0 , MOS下管截止如果上下管同時導通,2個MOS管就燒了,因此要避免HO,LO同時為1死區(qū)時間:下圖DT是死區(qū)時間,DT保證了HO和LO不能同時為”1”(高電平)硬件死區(qū)時間原理: 每當電平改變時,HO,LO兩者中的高電平先變成低電平, 延遲DT的時間,低電平再變成高電平 1.11.3死區(qū)時間有哪幾種?死區(qū)時間太短為什么會導致MOS燒壞?死區(qū)時間分類:硬件自帶死區(qū)時間:比如MOS驅動自帶死區(qū)時間軟件設置死區(qū)時間:根據(jù)死區(qū)時間的原理,在軟件中延遲一定時間再改變電平死區(qū)時間不足導致MOS管燒壞的過程分析:1.理想情況: MOS瞬間開關2.實際情況:MOS完全導通,關閉需要時間1.11.4 建立I/O-MOS驅動-MOS的輸入輸出表要按順序導通MOS管,那么換相代碼中就要有一個數(shù)組,專門控制引腳電平,假設導通順序如下圖所示:4.1用逆推法,先表示出MOS的的導通順序U+U-V+V-W+W-導通導通導通導通導通導通導通導通導通導通導通導通4.2根據(jù)MOS的導通順序,推導出MOS驅動的輸入,我用的MOS驅動是IR2103,IR2103的輸入/輸出表如下圖所示: 根據(jù)輸入/輸出表,列出MOS驅動的輸入(也就是I/O的輸出)1.11.5.驅動電機的PWM頻率的范圍一般是多少? 1