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有刷直流電機的結構

作者: 深圳順力電機發表時間:2022-05-18 10:30:11瀏覽量:312

結構 在四軸飛行器或者一些航模上,都能看到這種類型的直流無刷電機,它通常有三條線,U,V,W,當然航模上還需要配置一個電調(ESC)——作為電機的驅動器。 這里的電調往往有兩種驅動方式,六步方波,或...

結構

 

在四軸飛行器或者一些航模上,都能看到這種類型的直流無刷電機,它通常有三條線,U,V,W,當然航模上還需要配置一個電調(ESC)——作為電機的驅動器。

 

這里的電調往往有兩種驅動方式,六步方波,或者FOC驅動,下面主要對六步方波驅動方式進行分析。

 

無刷直流電機

 

直流無刷由定子和轉子構成,是電樞繞組,轉子是永磁體;兩對極電機,分別是U1,V1,W1,U2,V2,W2。

 

2對極BLDC內部結構

 

電機的定子是電樞繞組在通過交變電流的時候,會產生磁場,電樞的材料是鐵芯,可以導磁,這樣可以增大磁場的強度,磁場的方向取決于電流的方向,具體可以根據右手螺旋定則來判斷。

 

右手螺旋定則

換相原理

 

這里我們簡單介紹一下轉子旋轉的過程,即無刷直流電機的換相原理:

 

首先我們對電樞繞組施加適當大小的電流,線圈將產生一個磁場,該磁場將吸引轉子的永磁體;

 

如果我們一個接一個地激活每個線圈,這樣可以產生一個旋轉的磁場,由于永磁體和電磁體之間的力相互作用,轉子將在旋轉的磁場作用下繼續旋轉。

 

旋轉磁場

 

但是上面提到,這里是兩對極的直流無刷電機,那么為了提高電機的效率,我們可以將兩個相反的線圈組成一個繞組,這樣會產生與轉子極相反的磁極,從而獲得雙倍的磁場的力。

 

共同通電

 

初步了解了內部的結構和通電機制之后,我們就需要產生相應的驅動信號去產生旋轉的磁場,帶動轉子轉動。

 

通常我們會在MCU中會固化一段代碼,這段代碼可以產生驅動信號;然后驅動信號通過IPM間接驅動六個功率開關元器件(這里可以是MOSFET),從而產生旋轉的磁場。

 

電機模型可以等效成三個星型連接的電感,所以我們需要做的工作就是如何去產生驅動信號。

 

這個驅動信號又符合什么樣的規律呢?下面我們進一步介紹驅動信號。

 

兩兩通電:如果我們將 A 相上拉至高電平,然后在另一側將 B 相接地,則電流將從 VCC 流過A 相,中性點和 B 相,最終流向地。

 

因此,只需一個電流,我們就可以產生了四個不同的磁極,從而導致轉子移動。

 

兩兩通電的情況

 

其實電機內部一般可以等效成一個星型的連接方式,A,B,C三相的中性點連接在一起,外部通過MOSFET或者IGBT組成功率開關元器件,進行控制,所以這里也可以說明無刷直流電機,通常有U,V,W三條線引出來。

首先規定一下我們的驅動電路的相應符號:

 

使用SW1SW2作為一個上下管驅動U,或者是a;

使用SW3SW4作為一個上下管驅動V,或者是b;

使用SW5SW6作為一個上下管驅動W,或者是c;

 

然后我們在這里規定:上管打開標記為+,下管打開標記為-,上下管都不開標記為0。

 

最終讓轉子朝一個方向旋轉的驅動時序應該是這樣的:

 

a+,b-,c0

a+,b0,c-

a0,b+,c-

a-,b+,c0

a-,b0,c+

a0,b-,c+

 

六步方波

 

驅動的六步方波時序正確之后,我們基本可以實現對無刷直流電機的開環控制驅動了;

 

具體的驅動時序可以簡單畫一下,對于每一相而言都需要六步的驅動時序,然后兩相之間的相位相差120°。

 

例如A相的六步相序需要比B相超前120°,B相需要比C相超前120°,

 

驅動信號時序

 

下面是我實際過程中測試的上管的方波驅動信號,可以和A相,B相,C相的信號對應起來。

 

實測波形

閉環控制

 

實現開環運行之后,就要進行閉環控制了,首先有一點需要說明的是,前面的六步PWM時序,并沒有根據轉子的實際位置進行磁場的切換,所以可能出現的情況,就是失步,這個有點類似步進電機。

 

結論就是實際磁場旋轉的速度可能遠快于轉子旋轉的速度,導致磁場的旋轉速度和轉子不同步,所以就造成了失步。

 

如果這里引入轉子的位置反饋量,就可以完美的解決這個問題,所以通常會加入霍爾傳感器來檢測實際的轉子位置。

 

無刷直流電機內的霍爾傳感器

 

轉子處于不同位置的時候霍爾傳感器會產生相應的信號,并且還可以根據霍爾信號計算轉速,作為后面速度閉環的反饋值。

 

霍爾信號

 

一般來說增加了霍爾傳感器,在成本和電機的結構復雜程度上都會大大增加,所以,這里可以通過檢測每一相的反電動勢(Back EMF),來進行位置的估算以及速度的計算。

 

反電動勢

 

無感方波的驅動方式難點在于啟動和過零點的檢測上,通常啟動可以使用三段式啟動的方式,即轉子預定位,開環強拖,開環切閉環,這三個過程。

 

另外還可以進行高頻注入的方式確定轉子的初始位置,然后直接進行啟動,在過零點的檢測和換相存在一定的難度。

 

結論

 

本文簡單介紹了有刷直流電機和無刷直流電機的結構和原理,以及各自的優勢。進一步介紹了無刷直流電機的六步方波驅動原理,簡單提及了閉環控制中一些注意點。

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