無刷電機(jī)原理

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1、直流無刷電機(jī)的控制結(jié)構(gòu)直流無刷電機(jī)是同步電機(jī)的一種，也就是說電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度及轉(zhuǎn)子極數(shù)(P)影響：N=120．f/P。在轉(zhuǎn)子極數(shù)固定情況下，改變定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。直流無刷電機(jī)即是將同步電機(jī)加上電子式控制(驅(qū)動器)，控制定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率并將電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速回授至控制中心反復(fù)校正，以期達(dá)到接近直流電機(jī)特性的方式。也就是說直流無刷電機(jī)能夠在額定負(fù)載范圍內(nèi)當(dāng)負(fù)載變化時仍可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)子維持一定的轉(zhuǎn)速。直流無刷驅(qū)動器包括電源部及控制部如圖(1)：電源部提供三相電源給電機(jī)，控制部則依

2、需求轉(zhuǎn)換輸入電源頻率。電源部可以直接以直流電輸入(一般為24V)或以交流電輸入(110V/220V)，如果輸入是交流電就得先經(jīng)轉(zhuǎn)換器(converter)轉(zhuǎn)成直流。不論是直流電輸入或交流電輸入要轉(zhuǎn)入電機(jī)線圈前須先將直流電壓由換流器(inverter)轉(zhuǎn)成3相電壓來驅(qū)動電機(jī)。換流器(inverter)一般由6個功率晶體管(Q1～Q6)分為上臂(Q1、Q3、Q5)/下臂(Q2、Q4、Q6)連接電機(jī)作為控制流經(jīng)電機(jī)線圈的開關(guān)。控制部則提供PWM(脈沖寬度調(diào)制)決定功率晶體管開關(guān)頻度及換流器(inverter)換相的時機(jī)。

3、直流無刷電機(jī)一般希望使用在當(dāng)負(fù)載變動時速度可以穩(wěn)定于設(shè)定值而不會變動太大的速度控制，所以電機(jī)內(nèi)部裝有能感應(yīng)磁場的霍爾傳感器(hall-sensor)，做為速度之閉回路控制，同時也做為相序控制的依據(jù)。但這只是用來做為速度控制并不能拿來做為定位控制。圖一直流無刷電機(jī)的控制原理要讓電機(jī)轉(zhuǎn)動起來，首先控制部就必須根據(jù)hall-sensor感應(yīng)到的電機(jī)轉(zhuǎn)子目前所在位置，然后依照定子繞線決定開啟(或關(guān)閉)換流器(inverter)中功率晶體管的順序，如下（圖二）inverter中之AH、BH、CH(這些稱為上臂功率晶體管)及A

4、L、BL、CL(這些稱為下臂功率晶體管)，使電流依序流經(jīng)電機(jī)線圈產(chǎn)生順向(或逆向)旋轉(zhuǎn)磁場，并與轉(zhuǎn)子的磁鐵相互作用，如此就能使電機(jī)順時/逆時轉(zhuǎn)動。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到hall-sensor感應(yīng)出另一組信號的位置時，控制部又再開啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)電機(jī)就可以依同一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動直到控制部決定要電機(jī)轉(zhuǎn)子停止則關(guān)閉功率晶體管(或只開下臂功率晶體管)；要電機(jī)轉(zhuǎn)子反向則功率晶體管開啟順序相反。基本上功率晶體管的開法可舉例如下：AH、BL一組→AH、CL一組→BH、CL一組→BH、AL一組→CH、AL一組→CH、BL一組但絕

5、不能開成AH、AL或BH、BL或CH、CL。此外因?yàn)殡娮恿慵傆虚_關(guān)的響應(yīng)時間，所以功率晶體管在關(guān)與開的交錯時間要將零件的響應(yīng)時間考慮進(jìn)去，否則當(dāng)上臂(或下臂)尚未完全關(guān)閉，下臂(或上臂)就已開啟，結(jié)果就造成上、下臂短路而使功率晶體管燒毀。圖二當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動起來，控制部會再根據(jù)驅(qū)動器設(shè)定的速度及加/減速率所組成的命令(Command)與hall-sensor信號變化的速度加以比對(或由軟件運(yùn)算)再來決定由下一組(AH、BL或AH、CL或BH、CL或……)開關(guān)導(dǎo)通，以及導(dǎo)通時間長短。速度不夠則開長，速度過頭則減短，此部份

6、工作就由PWM來完成。PWM是決定電機(jī)轉(zhuǎn)速快或慢的方式，如何產(chǎn)生這樣的PWM才是要達(dá)到較精準(zhǔn)速度控制的核心。高轉(zhuǎn)速的速度控制必須考慮到系統(tǒng)的CLOCK分辨率是否足以掌握處理軟件指令的時間，另外對于hall-sensor信號變化的資料存取方式也影響到處理器效能與判定正確性、實(shí)時性。至于低轉(zhuǎn)速的速度控制尤其是低速起動則因?yàn)榛貍鞯膆all-sensor信號變化變得更慢，怎樣擷取信號方式、處理時機(jī)以及根據(jù)電機(jī)特性適當(dāng)配置控制參數(shù)值就顯得非常重要。或者速度回傳改變以encoder變化為參考，使信號分辨率增加以期得到更佳的控制

7、。電機(jī)能夠運(yùn)轉(zhuǎn)順暢而且響應(yīng)良好，P.I.D.控制的恰當(dāng)與否也無法忽視。之前提到直流無刷電機(jī)是閉回路控制，因此回授信號就等于是告訴控制部現(xiàn)在電機(jī)轉(zhuǎn)速距離目標(biāo)速度還差多少，這就是誤差(Error)。知道了誤差自然就要補(bǔ)償，方式有傳統(tǒng)的工程控制如P.I.D.控制。但控制的狀態(tài)及環(huán)境其實(shí)是復(fù)雜多變的，若要控制的堅固耐用則要考慮的因素恐怕不是傳統(tǒng)的工程控制能完全掌握，所以模糊控制、專家系統(tǒng)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也將被納入成為智能型P.I.D.控制的重要理論。P.I.D控制簡介一般P.I.D控制如下(dutycycle)=(dutycyc

8、le)p+(dutycycle)i+(dutycycle)dP.控制(比例控制)：輸出與輸入誤差訊號成正比關(guān)系，即將誤差固定比例修正，但系統(tǒng)會有穩(wěn)態(tài)誤差。I.控制(積分控制)：當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)有穩(wěn)態(tài)誤差時，將誤差取時間的積分，即便誤差很小也能隨時間增加而加大，使穩(wěn)態(tài)誤差減小直到為零。D.控制(微分控制)：當(dāng)系統(tǒng)在克服誤差時，其變化總是落后于誤差變化，表示系統(tǒng)存