無刷電機(jī)正弦波驅(qū)動(dòng)原理分析

在上一期芝識(shí)課堂里，大家應(yīng)該已經(jīng)學(xué)會(huì)如何用方波驅(qū)動(dòng)讓無刷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，下一步我們來一起嘗試用正弦波驅(qū)動(dòng)無刷電機(jī)，學(xué)習(xí)如何改變電機(jī)工作速度的實(shí)戰(zhàn)技巧。

正弦波驅(qū)動(dòng)流程

相比方波驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，正弦波驅(qū)動(dòng)的流程如圖1所示。圖中可以看到逆變電路包含一個(gè)微控制器、一個(gè)預(yù)驅(qū)電路驅(qū)動(dòng)、逆變電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)和比較器對(duì)霍爾傳感器的輸出進(jìn)行比較。在正弦波驅(qū)動(dòng)模式中，MCU結(jié)合位置信息生成正弦波信號(hào)并通過PWM調(diào)制后形成新的信號(hào)，將此信號(hào)輸入到逆變器中生成新的電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。在電機(jī)工作時(shí)采用霍爾傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子的磁極以確定其位置信息，然后經(jīng)由比較器輸送位置信號(hào)到MCU，再由MCU根據(jù)新的位置信息生成新的正弦波信號(hào)進(jìn)行下一輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出。

圖1正弦波驅(qū)動(dòng)流程示意

注意事項(xiàng)

需要特別注意的是，無刷電機(jī)是同步電機(jī)，即軸的旋轉(zhuǎn)與供電電流的頻率同步，旋轉(zhuǎn)周期完全等于交流周期的整數(shù)倍。由于啟動(dòng)時(shí)，停止的轉(zhuǎn)子不跟隨頻率變化，所以無法使用正弦波驅(qū)動(dòng)來啟動(dòng)電機(jī)。因此，在啟動(dòng)電機(jī)時(shí)，需要通過反饋轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行加速操作，反饋的流程分為以下幾個(gè)步驟。

（1）檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置。

（2）根據(jù)轉(zhuǎn)子位置，對(duì)線圈緩慢施加正弦電壓。

（3）在逐漸增加電壓的同時(shí)旋轉(zhuǎn)。

（4）根據(jù)位置檢測(cè)傳感器的時(shí)間，控制正弦波的周期。

（5）轉(zhuǎn)子以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，開始穩(wěn)定運(yùn)行，以達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，通過反饋目標(biāo)速度偏差，可以保持速度不受負(fù)載波動(dòng)的影響。

工作時(shí)，具有正弦波驅(qū)動(dòng)的無刷電機(jī)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度將線圈電壓轉(zhuǎn)換為正弦波狀態(tài)，并形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。通過對(duì)與旋轉(zhuǎn)同步的線圈施加正弦電壓，可以使轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)，如果要實(shí)現(xiàn)反向旋轉(zhuǎn)，需要將正弦波U相、V相和W相的順序進(jìn)行改變，具體流程可以參考圖2。

圖2正弦波驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)流程示意

電機(jī)有時(shí)候需要改變轉(zhuǎn)速來提供更多輸出狀態(tài)，這時(shí)候可以通過改變電壓來調(diào)整無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速，比如通過增加電壓和提高驅(qū)動(dòng)指令波形的頻率來提高轉(zhuǎn)速。要注意的是，無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)指令波形頻率是由轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)決定的，如果只提高驅(qū)動(dòng)指令波形的頻率，轉(zhuǎn)子將無法跟隨旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子會(huì)停止；同樣如果只增加電壓，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速會(huì)加快，但驅(qū)動(dòng)指令波形的頻率太慢，將無法停止轉(zhuǎn)子。因此必須同時(shí)調(diào)整電壓和驅(qū)動(dòng)指令波形，具體調(diào)整轉(zhuǎn)速的方式可以參考圖3所示的正弦波調(diào)整示意圖，加快速度要同時(shí)提升電壓和加快頻率，降速則要減少電壓并降低頻率。圖4則給出了一個(gè)改變速度順序的例子（正弦波驅(qū)動(dòng)），大家可以參考圖4的步驟調(diào)整正弦波驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

圖3改變電機(jī)速度的波形變化示意圖

圖4正弦波驅(qū)動(dòng)改變轉(zhuǎn)速的操作流程示意

相信經(jīng)過以上幾個(gè)步驟的實(shí)際操作，您已經(jīng)掌握了旋轉(zhuǎn)電機(jī)的基本技巧，并且可以開始進(jìn)行初級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了！未來，芝識(shí)課堂還將分享更多電子知識(shí)，幫助大家加速創(chuàng)新！

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