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詳解無刷直流電機的原理及正確使用方法

發(fā)布時間:2020-06-23 責任編輯:lina

【導讀】當工程師想利用電氣、電子的機器在現(xiàn)實世界中做些什么時,他們會思考怎樣才能將電信號變?yōu)?ldquo;力”?將電信號轉(zhuǎn)換為力的就是傳動器,即電機??梢詫㈦姍C視作“將電氣轉(zhuǎn)換為機械的力的元件”。
  
當工程師想利用電氣、電子的機器在現(xiàn)實世界中做些什么時,他們會思考怎樣才能將電信號變?yōu)?ldquo;力”?將電信號轉(zhuǎn)換為力的就是傳動器,即電機。可以將電機視作“將電氣轉(zhuǎn)換為機械的力的元件”。
 
最基本的電機是 “DC 電機(有刷電機)”。在磁場中放置線圈,通過流動的電流,線圈會被一側(cè)的磁極排斥,同時被另一側(cè)磁極所吸引,在這種作用下不斷旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)過程中令通向線圈中的電流反向流動,使其持續(xù)旋轉(zhuǎn)。電機中有個叫"換向器"的部分是靠"電刷"供電的,"電刷"的位置在"轉(zhuǎn)向器"上方,隨著旋轉(zhuǎn)不斷移動。通過改變電刷的位置,可使電流方向發(fā)生變化。換向器和電刷是 DC 電機的旋轉(zhuǎn)所不可或缺的結(jié)構(gòu)。
 
詳解無刷直流電機的原理及正確使用方法
圖 1:DC 電機(有刷電機)的運轉(zhuǎn)示意圖。
 
換向器切換線圈中電流的流向,反轉(zhuǎn)磁極的方向,使其始終向右旋轉(zhuǎn)。電刷向與軸一同旋轉(zhuǎn)的換向器供電。
 
活躍于多個領域的電機
 
我們按電源種類和轉(zhuǎn)動原理對電機進行了分類(圖 2)。讓我們來簡單看看各類電機的特點和用途吧。
 
 詳解無刷直流電機的原理及正確使用方法
圖 2:電機的主要類型
 
構(gòu)造簡單而又容易操控的 DC 電機(有刷電機)通常被用在家電產(chǎn)品的“光盤托盤的開閉”等用途上。或用在汽車的“電動后視鏡的開閉、方向控制”等用途上。雖然它既廉價又能用在多個領域上,但它也有缺陷。由于換向器會和電刷接觸,它的壽命很短,必須定期更換電刷或保修。
 
步進電機會隨著向其發(fā)出的電脈沖數(shù)旋轉(zhuǎn)。它的運動量取決于向其發(fā)出的電脈沖數(shù),因此適用于位置調(diào)整。在家庭中通常被用于“傳真機和打印機的送紙”等。由于傳真機的送紙步驟取決于規(guī)格(刻紋、細致度),因此隨著電脈沖數(shù)旋轉(zhuǎn)的步進電機非常便于使用。很容易解決信號一旦停止機器就會暫時停止的問題。
 
旋轉(zhuǎn)數(shù)隨電源頻率變化的同步電機被用于“微波爐的旋轉(zhuǎn)桌”等用途上。電機組里有齒輪減速器,可以得到適合加熱食品的旋轉(zhuǎn)數(shù)。感應電機也受電源頻率的影響,但頻率和旋轉(zhuǎn)數(shù)不一致。以前這類 AC 電機被用在風扇或洗衣機上。
 
由此可見,各式各樣的電機活躍于多個領域。其中,BLDC 電機(無刷電機)具有怎樣的特點才會用途如此之廣呢?
 
BLDC 電機是如何旋轉(zhuǎn)的?
 
BLDC 電機中的“BL”意為“無刷”,就是 DC 電機(有刷電機)中的“電刷”沒有了。電刷在 DC 電機(有刷電機)里扮演的角色是通過換向器向轉(zhuǎn)子里的線圈通電。那么沒有電刷的 BLDC 電機是如何向轉(zhuǎn)子里的線圈通電的呢?原來 BLDC 電動機電機采用永磁體來做轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子里是沒有線圈的。由于轉(zhuǎn)子里沒有線圈,所以不需要用于通電的換向器和電刷。取而代之的是作為定子的線圈(圖 3)。
 
DC 電機(有刷電機)中被固定的永磁體所制造出的磁場是不會動的,通過控制線圈(轉(zhuǎn)子)在其內(nèi)部產(chǎn)生的磁場來旋轉(zhuǎn)。要通過改變電壓來改變旋轉(zhuǎn)數(shù)。BLDC 電機的轉(zhuǎn)子是永磁體,通過改變周圍的線圈所產(chǎn)生的磁場的方向使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。通過控制通向線圈的電流方向和大小來控制轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。
 
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圖 3:BLDC 電機的運轉(zhuǎn)示意圖
 
BLDC 電機將永磁體作為轉(zhuǎn)子。由于無需向轉(zhuǎn)子通電,因此不需要電刷和換向器。從外部對通向線圈的電進行控制。
 
BLDC 電機的優(yōu)點
 
BLDC 電機的定子上有三個線圈,每個線圈有兩根電線,電機中共有六根引出線。實際上,由于是內(nèi)部接線,通常只需要三根線,但還是比先前所說的 DC 電機(有刷電機)要多出一根。純靠連接電池的正負極是不會動的。至于如何運行 BLDC 電機將在本系列的第二回中進行說明。此次我們要關注的是 BLDC 電機的優(yōu)點。
 
BLDC 電機的第一個特點是“高效率”??梢钥刂扑幕匦Γㄅぞ兀┦冀K保持最大值。DC 電機(有刷電機)的話,旋轉(zhuǎn)過程中最大扭矩只能保持一個瞬間,無法始終保持最大值。若 DC 電機(有刷電機)想要得到和 BLDC 電機一樣大的扭矩,只能加大它的磁鐵。這就是為什么小型 BLDC 電機也能發(fā)出強大力量的原因。
 
第二個特點是“良好的控制性”,與第一個有所關聯(lián)。BLDC 電機可以絲毫不差的得到你所想要的扭矩、旋轉(zhuǎn)數(shù)等。BLDC 電機可以精確地反饋目標旋轉(zhuǎn)數(shù)、扭矩等。通過精確的控制可以抑制電機的發(fā)熱和電力的消耗。若是電池驅(qū)動,則能通過周密的控制,延長驅(qū)動時間。
 
除此之外還有耐用,電氣噪音小等特點。上述兩點是無電刷所帶來的優(yōu)勢。而 DC 電機(有刷電機)由于電刷和換向器之間的接觸,長時間使用會有損耗。接觸的部分還會產(chǎn)生火花。尤其是換向器的縫隙碰到電刷時會出現(xiàn)巨大的火花和噪音。若不希望使用過程中產(chǎn)生噪音,會考慮采用 BLDC 電機。
 
BLDC 電機適用于這些方面
 
高效率、多樣操控、壽命長的 BLDC 電機一般會用在哪些地方呢?往往被用于能夠發(fā)揮其高效率、壽命長的特點,被連續(xù)使用的產(chǎn)品中。例如:家電。人們很早就開始使用洗衣機和空調(diào)了。最近電風扇中也開始采用 BLDC 電機,并成功促使消耗電力大幅度下降。正是因為效率高才讓消耗電力下降的。
 
吸塵機中也采用了 BLDC 電機。在某個事例中,通過變更控制系統(tǒng),實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)數(shù)的大幅度上升。這個事例體現(xiàn)了 BLDC 電機的良好控制性。
 
作為重要存儲介質(zhì)的硬盤,其旋轉(zhuǎn)部分也采用了 BLDC 電機。由于它是需要長時間運轉(zhuǎn)的電機,因此耐用性很重要。當然,它還有極力抑制電力消耗的用途。這里的高效率也和電力的低消耗有關。
 
BLDC 電機的用途還有很多
 
BLDC 電機有望被應用在更廣泛的領域中。BLDC 電機將會在小型機器人,尤其是在制造以外的領域提供服務的“服務機器人”中得到廣泛應用。“定位對于機器人很重要,不是應該使用隨電脈沖數(shù)運行的步進電機嗎?”或許會有人這么想。但是在力量控制方面,BLDC 電機更合適。另外,若采用步進電機,像機器人手腕這樣的構(gòu)造要固定在某個位置需要提供相當大的電流。若是 BLDC 電機,則能配合外力只提供所需的電力,從而抑制電力的消耗。
 
還可用于運輸方面。一直以來,老年人電動車或高爾夫球車中大多采用簡單的 DC 電機,但最近都開始采用具有良好控制性的高效率 BLDC 電機了??梢酝ㄟ^細微的控制,延長電池的持續(xù)時間。BLDC 電機還適用于無人機中。尤其是多軸機架的無人機,由于它是通過改變螺旋槳的旋轉(zhuǎn)數(shù)來控制飛行姿態(tài)的,因此能夠精密控制旋轉(zhuǎn)的 BLDC 電機很有優(yōu)勢。
 
怎么樣?BLDC 電機是效率高、控制性良好、壽命長的優(yōu)質(zhì)電機。但是,要想將 BLDC 電機的力量發(fā)揮到極致,則需要正確的控制。該如何操作呢?
 
僅靠連接無法轉(zhuǎn)動
 
內(nèi)轉(zhuǎn)子型 BLDC 電機是典型的 BLDC 電機的一種,其外觀與內(nèi)部構(gòu)造如下所示。帶刷 DC 電機(以下稱為 DC 電機)的轉(zhuǎn)子上有線圈,外側(cè)放有永磁體。BLDC 電機的轉(zhuǎn)子上有永磁體,外側(cè)是線圈。BLCD 電機的轉(zhuǎn)子沒有線圈,是永磁體,因此沒有必要在轉(zhuǎn)子上通電。實現(xiàn)了不帶通電用的電刷的“無刷型”。
 
 
另一方面,與 DC 電機相比,控制也變得更難了。并不是只要將電機上的電纜接上電源就好了。本來就連電纜數(shù)目都不一樣。和“將正極(+)和負極(-)連上電源”的方式不同。
 
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圖 4:BLDC 電機的外觀及內(nèi)部構(gòu)造
 
轉(zhuǎn)子是永磁體,因此無法通電。無需電刷及換向器,可謀求延長使用壽命。
 
改變磁通量的方向
 
為了轉(zhuǎn)動 BLDC 電機,必須控制線圈的電流方向及時機。圖 2-A 是將 BLDC 電機的定子(線圈)和轉(zhuǎn)子(永磁體)模式化的結(jié)果。使用該圖片,思考一下轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的情況吧。思考使用 3 個線圈的情況。雖然實際上也有使用 6 個或以上的線圈的情況,但在考慮原理的基礎上,每 120 度放一個線圈,使用 3 個線圈。電機將電氣(電壓、電流)轉(zhuǎn)換為機械性旋轉(zhuǎn)。圖 5-A 的 BLDC 電機又是如何轉(zhuǎn)動呢?先來看一看電機中發(fā)生了什么吧。
 
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圖 5-A:BLDC 電機轉(zhuǎn)動原理
 
BLDC 電機中每隔 120 度放置一個線圈,總共放置三個線圈,控制通電相或線圈的電流
 
如圖 5-A 所示,BLDC 電機使用 3 個線圈。這三個線圈用以在通電后生成磁通量,將其命名為 U、V、W。將該線圈通電試試看吧。線圈 U(以下簡稱為“線圈”)上的電流路徑記為 U 相,V 的記錄為 V 相,W 的記錄為 W 相。接下來看一看 U 相吧。向 U 相通電后,將產(chǎn)生如圖 2-B 所示的箭頭方向的磁通量。
 
但實際上,U、V、W 的電纜都是互相連接著的,因此無法僅向 U 相通電。在這里,從 U 相向 W 相通電,會如圖 2-C 所示在 U、W 產(chǎn)生磁通量。合成 U 和 W 的兩個磁通量,變?yōu)閳D 2-D 所示的較大的磁通量。永磁體將進行旋轉(zhuǎn),以使該合成磁通量與中央的永磁體(轉(zhuǎn)子)的 N 極方向相同。
 
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圖 5-B:BLDC 電機的轉(zhuǎn)動原理
 
從 U 相向 W 向通電。首先,只關注線圈 U 部分,則發(fā)現(xiàn)會產(chǎn)生如箭頭般的磁通量
 
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圖 5-C:BLDC 電機的轉(zhuǎn)動原理
 
從 U 相向 W 相通電,則會產(chǎn)生方向不同的 2 個磁通量。
 
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圖 5-D:BLDC 電機的轉(zhuǎn)動原理
 
從 U 相向 W 相通電,可以認為產(chǎn)生了兩個磁通量合成的磁通量。
 
若改變合成磁通量的方向,則永磁體也會隨之改變。配合永磁體的位置,切換 U 相、V 相、W 相中通電的相,以變更合成磁通量的方向。連續(xù)執(zhí)行此操作,則合成磁通量將發(fā)生旋轉(zhuǎn),從而產(chǎn)生磁場,轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
 
圖 3 所示的是通電相與合成磁通量的關系。在該例中,按順序從 1-6 變更通電模式,則合成磁通量將順時針旋轉(zhuǎn)。通過變更合成磁通量的方向,控制速度,可控制轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度。將切換這 6 種通電模式,控制電機的控制方法稱為“120 度通電控制”。
 
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圖 6:轉(zhuǎn)子的永久磁石會像被合成磁通量牽引一樣旋轉(zhuǎn),電機的軸也會因此旋轉(zhuǎn)
 
使用正弦波控制,進行流暢的轉(zhuǎn)動
 
接下來,盡管在 120 度通電控制下合成磁通量的方向會發(fā)生旋轉(zhuǎn),但其方向不過只有 6 種。比如將圖 3 的“通電模式 1”改為“通電模式 2”,則合成磁通量的方向?qū)⒆兓?60 度。然后轉(zhuǎn)子將像被吸引一樣發(fā)生旋轉(zhuǎn)。接下來,從“通電模式 2”改為“通電模式 3”,則合成磁通量的方向?qū)⒃俅巫兓?60 度。轉(zhuǎn)子將再次被該變化所吸引。這一現(xiàn)象將反復出現(xiàn)。這一動作將變得生硬。有時這動作還會發(fā)出噪音。
 
能消除 120 度通電控制的缺點,實現(xiàn)流暢的轉(zhuǎn)動的正是“正弦波控制”。在 120 度通電控制中,合成磁通量被固定在了 6 個方向。進行控制,使其進行連續(xù)的變化。在圖 2-C 的例子中,U 和 W 生成的磁通量大小相同。但是,若能較好地控制 U 相、V 相、W 相,則可讓線圈各自生成大小各異的磁通量,精密地控制合成磁通量的方向。調(diào)整 U 相、V 相、W 相各相的電流大小,與此同時生成了合成磁通量。通過控制這一磁通量連續(xù)生成,可使電機流暢地轉(zhuǎn)動。
 
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圖 7:正弦波控制
 
正弦波控制可控制 3 相上的電流,生成合成磁通量,實現(xiàn)流暢的轉(zhuǎn)動。可生成 120 度通電控制無法生成的方向上生成合成磁通量。
 
使用逆變器控制電機
 
那么 U、V、W 各相上的電流又如何呢?為便于理解,回想 120 度通電控制的情況看看吧。請再次查看圖 3。在通電模式 1 時,電流從 U 流至 W;在通電模式 2 時,電流從 U 流至 V??梢钥闯?,每當有電流流動的線圈的組合發(fā)生改變時,合成磁通量箭頭的方向也會發(fā)生變化。
 
接下來,請看通電模式 4。在該模式下,電流從 W 流至 U,與通電模式 1 的方向相反。在 DC 電機中,像這樣的電流方向的轉(zhuǎn)換是由換向器和刷子的組合來進行了。但是,BLDC 電機不使用這樣的接觸型的方法。使用逆變器電路,更改電流的方向。在控制 BLDC 電機時,一般使用的是逆變器電路。
 
另外逆變器電路可改變各相中的外加電壓,調(diào)整電流值。電壓的調(diào)整中,常用的是 PWM(Pulse Width Modulation=脈沖寬度調(diào)制)。PWM 是一種通過調(diào)整脈沖 ON/OFF 的時間長度改變電壓的方法,重要的是 ON 時間和 OFF 時間的比率(占空比)變化。若 ON 的比率較高,可以得到和提高電壓相同的效果。若 ON 的比率下降,則可以得到和電壓降低相同的效果。
 
為了實現(xiàn) PWM,現(xiàn)在還有配備了專用硬件的微電腦。進行正弦波控制時需控制 3 相的電壓,因此比起只有 2 相通電的 120 度通電控制來說,軟件要稍稍復雜一些。逆變器是對驅(qū)動 BLDC 電機必要的電路。交流電機中也使用了逆變器,但可以認為家電產(chǎn)品中所說的“逆變器式”幾乎使用的是 BLDC 電機。
 
詳解無刷直流電機的原理及正確使用方法
圖 8:PWM 輸出與輸出電壓的關系
 
變更某時間內(nèi)的 ON 時間,以變更電壓的有效值。ON 時間越長,有效值越接近施加 100%電壓時(ON 時)的電壓。
 
使用位置傳感器的 BLDC 電機
 
以上是 BLDC 電機的控制的概況。BLDC 電機通過改變線圈生成的合成磁通量的方向,使轉(zhuǎn)子的永磁體隨之變化。
 
實際上,在以上的說明中,還有一點沒有提到。即 BLDC 電機中的傳感器的存在。BLDC 電機的控制是配合著轉(zhuǎn)子(永磁體)的位置(角度)進行的。因此,獲取轉(zhuǎn)子位置的傳感器是必需的。若沒有傳感器得知永磁體的方向時,轉(zhuǎn)子可能會轉(zhuǎn)至意料之外的方向。有傳感器提供信息的話,就不會出現(xiàn)這樣的情況了。
 
表 1 中顯示的是 BLDC 電機主要的位置檢測用傳感器的種類。根據(jù)控制方式的不同,需要的傳感器也是不同的。在 120 度通電控制中,為判斷要對哪個相通電,配備了可每 60 度輸入一次信號的霍爾效應傳感器。另一方面,對于精密控制合成磁通量的“矢量控制”(在下一項中說明)來說,轉(zhuǎn)角傳感器或光電編碼器等高精度傳感器較為有效。
 
通過使用這些傳感器可以檢測出位置,但也會帶來一些缺點。傳感器防塵能力較弱,而且維護也是不可或缺的??墒褂玫臏囟确秶矔s小。使用傳感器或為此增加配線都會造成成本的上升,而且高精度傳感器本身就價格高昂。于是,“無傳感器”這一方式登場了。它不使用位置檢測用傳感器,以此控制成本,且不需要傳感器相關的維護。但此次為了說明原理,因此假定已從位置傳感器獲得了信息來吧。
 
通過矢量控制時刻保持高效率
正弦波控制為 3 相通電,流暢地改變合成磁通量的方向,因此轉(zhuǎn)子將流暢地旋轉(zhuǎn)。120 度通電控制切換了 U 相、V 相、W 相中的 2 相,以此來使電機轉(zhuǎn)動,而正弦波控制則需要精確地控制 3 相的電流。而且控制的值是時刻變化的交流值,因此,控制變得更為困難。
 
在這里登場的便是矢量控制了。矢量控制可通過坐標變換,把 3 相的交流值作為 2 相的直流值進行計算,因此可簡化控制。但是,矢量控制計算需要高分辨率下的轉(zhuǎn)子的位置信息。位置檢測有兩種方法,即使用光電編碼器或轉(zhuǎn)角傳感器等位置傳感器的方法,以及根據(jù)各相的電流值進行推算的無傳感器方法。通過該坐標變換可直接控制扭矩(旋轉(zhuǎn)力)的相關電流值,從而實現(xiàn)沒有多余電流的高效控制。
 
但是,矢量控制中需要進行使用三角函數(shù)的坐標變換,或復雜的計算處理。因此,大多情況下都會使用計算能力較強的微電腦作為控制用微電腦,比如配備了 FPU(浮點運算器)的微電腦等。

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