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無刷電機(jī)控制基礎(chǔ)(1)——結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)電路

發(fā)布時(shí)間:2022-11-09作者來源:薩科微瀏覽:2662


無刷電機(jī)是指無電刷和機(jī)械換向器的電機(jī)。

我們知道,一般的有刷電機(jī)的定子是永磁體,轉(zhuǎn)子是電磁鐵。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),通過電刷來自動(dòng)切換轉(zhuǎn)子電磁鐵的中的電流方向,使得轉(zhuǎn)子始終受到轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的作用,得以旋轉(zhuǎn)起來。

而無刷電機(jī),轉(zhuǎn)子是永磁體,定子是電磁鐵,使用電子換向器器來切換電磁鐵中的電流方法。由于它沒有機(jī)械式的電刷,所以稱為無刷電機(jī)。

1)無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)

先介紹幾個(gè)概念,無刷電機(jī)的槽數(shù)和級(jí)數(shù),槽數(shù)N指的是定子上的電磁鐵極數(shù)量,極數(shù)P指的是轉(zhuǎn)子上磁極的數(shù)量。

最簡(jiǎn)單的3N2P結(jié)構(gòu)電機(jī),就是定子上有三個(gè)線圈極、定子上有兩個(gè)磁極的無刷電機(jī)。

3N2P型無刷電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)示意如下圖:

圖片

定子有三組線圈:A、B、C,三個(gè)線圈的一端連接到公共點(diǎn),另一端引出三個(gè)引線a、b、c。

在其中心放上一塊作為定子的磁鐵,就形成了最簡(jiǎn)單的無刷電機(jī)結(jié)構(gòu),如下圖:

圖片

當(dāng)然,這只是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的3槽2極電機(jī),常用的電機(jī)為了使得轉(zhuǎn)動(dòng)更加平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩更大,會(huì)增加槽數(shù)和極數(shù)。線圈的連接方式,可以為星形,也可以是三角形連接。

同時(shí),按機(jī)械結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)子在電機(jī)的內(nèi)部還是外圍,又可以分為外轉(zhuǎn)子電機(jī)和內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)。

2)無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理

了解了無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu),那么,無刷電機(jī)是如何轉(zhuǎn)動(dòng)起來的呢?

我們?nèi)匀灰宰詈?jiǎn)單的3N2P無刷電機(jī)為例,假設(shè)初始時(shí),我們?cè)赼端接電源正、b端接電源負(fù)、c端懸空,則A線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)方向朝左上方,B線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)方向朝正上方,磁場(chǎng)的矢量和朝左上方,轉(zhuǎn)子磁鐵在A、B線圈的磁場(chǎng)作用下,會(huì)轉(zhuǎn)到圖示方向:

圖片

下一時(shí)刻,我們?cè)赾端接電源正、b端接電源負(fù)、而a端懸空,則磁場(chǎng)矢量和朝向右上方,轉(zhuǎn)子磁鐵會(huì)從下圖的1轉(zhuǎn)到下圖2中的位置:

圖片

同理,后續(xù)依次c+a-、a-b+、b+c-、c-a+、a+b-、b-c+循環(huán)加電,轉(zhuǎn)子磁鐵就能循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)起來了。每經(jīng)過6次切換電流,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一圈。

因?yàn)槿齻€(gè)線圈相隔120°,所以,不難得出兩個(gè)線圈同時(shí)導(dǎo)通時(shí),轉(zhuǎn)矩為單個(gè)線圈的√3倍。

上述驅(qū)動(dòng)方法中,每次導(dǎo)通了兩個(gè)線圈,因此稱為“二二導(dǎo)通”驅(qū)動(dòng)方式;相對(duì)地還有一種三個(gè)線圈同時(shí)導(dǎo)通的方式,稱為“三三導(dǎo)通”驅(qū)動(dòng)方式。

例如,施加電壓為 a+b-c- 的狀態(tài)時(shí),由于三個(gè)線圈都會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),則定子磁鐵會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)到下圖位置(N極正對(duì)A線圈):

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而且,由于A線圈中的電流等于B、C電流之和,所以總的轉(zhuǎn)矩為1.5倍A線圈的轉(zhuǎn)矩。

不難分析出,“三三導(dǎo)通”的驅(qū)動(dòng)方式,也是6個(gè)步驟完成轉(zhuǎn)動(dòng)一圈。如我們依次按a+b-c-、a+b-c+、a-b-c+、a-b+c+、a-b+c-、a+b+c-循環(huán)控制線圈電壓,則定子也能轉(zhuǎn)動(dòng)起來。

3)無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路

上面我們分析了如何讓三相的無刷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來,實(shí)質(zhì)上就是需要能對(duì)三個(gè)線圈的引出點(diǎn)分別加正、負(fù)電壓,一般可以用如下三相六臂全橋電路來實(shí)現(xiàn):

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例如,在上圖中導(dǎo)通Q1和Q4,其他都不導(dǎo)通,那么電流將從Q1流經(jīng)U相繞組,再?gòu)腣相繞組流到Q4。這樣也就完成了個(gè)線圈通電,同理,依次導(dǎo)通Q5Q4、Q5Q2、Q3Q2、Q3Q6和Q1Q6,這也就完成了“二二導(dǎo)通”的6拍工作方式。

同理三相全橋也可以實(shí)現(xiàn)“三三導(dǎo)通”的控制方式。

上述全橋電路只是原理性的介紹,實(shí)際應(yīng)用時(shí),要保證控制時(shí),不能有同一個(gè)橋臂的上下MOS管同時(shí)導(dǎo)通,否則會(huì)燒毀器件。我們可以先關(guān)閉上橋臂的MOS,再開啟下橋臂的MOS(或者先關(guān)閉下MOS再開啟上MOS)這樣就避免了上下MOS同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)間,錯(cuò)開的這個(gè)時(shí)間差,一般稱為死區(qū)時(shí)間(dead time)。很多MCU輸出的PWM波,都可以控制死區(qū)時(shí)間的大小,方便我們?cè)O(shè)計(jì)。




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