無(wú)刷直流電機(jī)的優(yōu)勢(shì)及工作原理

為了在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，可以使用各種電機(jī)類(lèi)型，例如有刷直流(DC)電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)(BLDC)、交流(AC)電機(jī)、通用電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)。從這些選項(xiàng)中，無(wú)刷直流電機(jī)電機(jī)特別具有以下優(yōu)勢(shì)。

·高效率

·可靠性和長(zhǎng)壽命

·緊湊的尺寸

·低噪聲

·支持廣泛的電機(jī)速度

·不產(chǎn)生火花

無(wú)刷直流電機(jī)電機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)是為什么這種電機(jī)可用于各種應(yīng)用，包括：無(wú)繩電動(dòng)工具、空調(diào)輸出單元以及建筑安全系統(tǒng)中的自動(dòng)門(mén)和大門(mén)。無(wú)刷直流電機(jī)電機(jī)還用于汽車(chē)內(nèi)的各個(gè)地方，例如滑動(dòng)門(mén)模塊、車(chē)窗模塊、車(chē)頂電機(jī)模塊、雨刮器模塊、座椅位置和舒適模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇和泵。

無(wú)刷直流電機(jī)開(kāi)關(guān)

詳細(xì)介紹無(wú)刷直流電機(jī)電機(jī)的工作原理，圖1顯示了無(wú)刷直流電機(jī)電機(jī)的簡(jiǎn)化模型，該模型使用兩個(gè)磁極(一個(gè)北和一個(gè)南)和三個(gè)線(xiàn)圈。在此模型中，轉(zhuǎn)子(電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分)上的永磁體被定子(電機(jī)的靜止部分)上的線(xiàn)圈包圍。磁鐵的運(yùn)動(dòng)是導(dǎo)致轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的原因。線(xiàn)圈將根據(jù)注入其中的電流方向改變其磁極(北或南)。電磁鐵對(duì)永磁體的相反極的吸引力和電磁鐵對(duì)永磁體的同極的排斥使永磁體和轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。

圖1.無(wú)刷直流電機(jī)電機(jī)模型，換向步驟1：——

例如，如果磁鐵位于圖1所示的位置，并且希望使磁鐵沿順時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)，則向線(xiàn)圈U注入電流以充當(dāng)磁鐵的南極，并向線(xiàn)圈V注入電流電流就像磁鐵的北極一樣。線(xiàn)圈U產(chǎn)生的S極排斥永磁體的S極，線(xiàn)圈V產(chǎn)生的N極吸引永磁體的S極，從而使永磁體和轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，直到達(dá)到如圖所示的磁體位置圖2。從圖2的磁鐵位置，將電流注入線(xiàn)圈W以充當(dāng)磁鐵的北極，并向線(xiàn)圈U注入電流以繼續(xù)充當(dāng)磁鐵的南極，使轉(zhuǎn)子再次順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。為了保持磁體和轉(zhuǎn)子沿圓周連續(xù)移動(dòng)，必須以非常特定的順序?qū)㈦娏鬟B續(xù)注入不同的線(xiàn)圈。切換哪些線(xiàn)圈有電流注入其中以引起轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的過(guò)程稱(chēng)為換向。

圖2.無(wú)刷直流電機(jī)電機(jī)模型，換向步驟2：——

如圖1和圖2所示，向其中注入電流的適當(dāng)線(xiàn)圈以及這些電流的極性取決于磁體的當(dāng)前位置。無(wú)刷直流電機(jī)換向方案的工作原理是首先確定轉(zhuǎn)子的位置，然后使用該轉(zhuǎn)子位置信息施加磁場(chǎng)以使轉(zhuǎn)子沿所需方向移動(dòng)。有兩種方法可以確定轉(zhuǎn)子位置。第一種方法使用位置傳感器。第二種方法是基于反電動(dòng)勢(shì)(EMF)確定位置的無(wú)傳感器方法，反電動(dòng)勢(shì)是電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)在電機(jī)上產(chǎn)生的電壓。電機(jī)上產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)波形的幅度與電機(jī)的速度成正比。

傳感換向的優(yōu)點(diǎn)包括：

由于電機(jī)上產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)波形的幅度與電機(jī)的速度成正比，因此無(wú)傳感器換向方案在低速下無(wú)法運(yùn)行，因?yàn)榉措妱?dòng)勢(shì)太小而無(wú)法測(cè)量以確定轉(zhuǎn)子位置。如果系統(tǒng)在零速時(shí)需要很大的扭矩，則需要傳感器換向。

在非常高的電機(jī)速度下，當(dāng)使用反電動(dòng)勢(shì)時(shí)，很難區(qū)分不同的轉(zhuǎn)換。如果電機(jī)以非常高的速度移動(dòng)，請(qǐng)使用傳感器換向來(lái)緩解此問(wèn)題。有傳感器的實(shí)現(xiàn)執(zhí)行起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要像無(wú)傳感器實(shí)現(xiàn)那樣的復(fù)雜計(jì)算。對(duì)于傳感換向，可以使用霍爾位置傳感器、編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器。在這些選項(xiàng)中，霍爾位置傳感器是最常見(jiàn)的，因?yàn)樗鼈兊某杀鞠鄬?duì)較低。從不同類(lèi)型的霍爾位置傳感器中，霍爾鎖存器用于提供簡(jiǎn)單的六步換向方法。使用這些霍爾鎖存器，需要交替使用北極和南極來(lái)切換設(shè)備的輸出，如圖3所示。

圖3.霍爾傳感器器的輸出：——

對(duì)于圖3中所示的鎖存器，僅當(dāng)設(shè)備檢測(cè)到磁體的南極并且感測(cè)到的磁通密度的幅度大于磁通密度工作點(diǎn)(稱(chēng)為B OP)時(shí)，輸出才被斷言為低電平圖中。輸出將保持低電平，直到設(shè)備檢測(cè)到磁體的北極并且感測(cè)到的磁通密度的大小大于鎖存器的磁通密度釋放點(diǎn)，在圖中稱(chēng)為B RP。在沒(méi)有磁輸入的情況下，鎖存器的最后狀態(tài)保持活動(dòng)狀態(tài)。

圖4顯示了使用三個(gè)霍爾鎖存器的有傳感器六步電機(jī)換向控制方案的輸出波形。在該方案中，一次僅驅(qū)動(dòng)兩相，其中第三相處于高阻態(tài)。圖中，數(shù)字代表?yè)Q向步長(zhǎng)。步驟1具體對(duì)應(yīng)圖1所示狀態(tài)，步驟2對(duì)應(yīng)圖2所示狀態(tài)。圖4中的霍爾A、霍爾B和霍爾C波形對(duì)應(yīng)于不同換向步驟期間霍爾鎖存器的輸出。U相、V相和W相波形表示應(yīng)用到該相以使磁體移動(dòng)到其下一個(gè)換向步驟的波形。在圖4，“+”對(duì)應(yīng)于注入電流，使相的南極施加，“-”對(duì)應(yīng)注入相反的電流，使相施加北極，“Z”指相處于高阻態(tài)。此圖說(shuō)明有六個(gè)獨(dú)立的霍爾狀態(tài)，其中每個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)于驅(qū)動(dòng)相位以保持電機(jī)旋轉(zhuǎn)的不同選項(xiàng)。因此，霍爾狀態(tài)可用于提供有關(guān)如何驅(qū)動(dòng)相位以保持電機(jī)旋轉(zhuǎn)的信息，其中霍爾傳感器的狀態(tài)可用作軟件查找表的索引，以獲取有關(guān)如何驅(qū)動(dòng)不同相位的信息基于轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置。

圖4.六步電機(jī)換向控制方案：——

前面的示例使用無(wú)刷直流電機(jī)電機(jī)的簡(jiǎn)化模型。通常，無(wú)刷直流電機(jī)電機(jī)的磁極和線(xiàn)圈比圖中顯示的要多。使用的線(xiàn)圈和轉(zhuǎn)子磁極越多，對(duì)磁鐵的控制就越精細(xì)。磁體可以實(shí)現(xiàn)為多個(gè)彼此相鄰的條形磁體，其中相鄰的磁體具有彼此相反的極性。使用更多磁體會(huì)增加霍爾傳感器在給定時(shí)間內(nèi)看到的狀態(tài)轉(zhuǎn)換次數(shù)，從而減少轉(zhuǎn)子必須旋轉(zhuǎn)多少才能使霍爾傳感器循環(huán)通過(guò)所有可能的狀態(tài)。

三個(gè)霍爾位置傳感器的放置應(yīng)使其各自輸出之間的角度差相互偏移120°。這個(gè)角度被稱(chēng)為電角度，它可能與設(shè)備彼此機(jī)械放置的實(shí)際角度不同。從電機(jī)軸的中心，每個(gè)傳感器的間隔度數(shù)(機(jī)械角度)可以設(shè)置為2/[極數(shù)]×120°，以創(chuàng)建必要的120電氣角度。

在圖1和圖2中簡(jiǎn)化的兩極示例中，機(jī)械角和電角相等。然而，對(duì)于具有更多磁極的系統(tǒng)，電角和機(jī)械角不相等，因?yàn)榇艠O數(shù)量增加會(huì)減少循環(huán)通過(guò)不同霍爾輸出狀態(tài)組合的時(shí)間。為了說(shuō)明這一點(diǎn)，假設(shè)系統(tǒng)中有12個(gè)磁極(6個(gè)北極和6個(gè)南極)。為了在這個(gè)12極系統(tǒng)中的霍爾鎖存器之間獲得120度的電氣分離，霍爾位置傳感器可以放置成機(jī)械上彼此相差±20度。

審核編輯：湯梓紅