知識(shí)專區(qū)
主頁(yè) > 新聞中心 > 知識(shí)專區(qū) >
無刷驅(qū)動(dòng)器換向方法
來源：深圳市鑫海文科技有限公司|發(fā)布時(shí)間：2019-07-16 20:14
無刷驅(qū)動(dòng)器或無刷直流電動(dòng)機(jī)是由直流電源通過外部電動(dòng)機(jī)控制器供電的電子換向電動(dòng)機(jī)。與他們的拉絲親屬不同，無刷電機(jī)依靠外部控制器來實(shí)現(xiàn)換向。簡(jiǎn)而言之，換向是切換電機(jī)相中的電流以產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的過程。有刷電機(jī)有物理刷子，每次旋轉(zhuǎn)兩次實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程，而無刷電機(jī)則沒有，因此得名。由于其設(shè)計(jì)的性質(zhì)，它們可以具有任意數(shù)量的極對(duì)用于換向。
與傳統(tǒng)的有刷電機(jī)相比，無刷電機(jī)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。它們通?？商峁?5-20％的效率提升，無需刷子即可減少物理磨損，并可在所有額定速度下提供平坦的扭矩曲線。雖然無刷電機(jī)不是新發(fā)明，但由于需要復(fù)雜的控制和反饋電路，因此廣泛采用的速度很慢。然而，最近半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，更好的永磁體以及對(duì)更高效率的不斷增長(zhǎng)的需求導(dǎo)致無刷電機(jī)在許多應(yīng)用中取代有刷電機(jī)。無刷電機(jī)已在許多行業(yè)中占據(jù)一席之地，包括白色家電，汽車，航空航天，消費(fèi)品，醫(yī)療，工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備和儀器儀表。
隨著行業(yè)向更多應(yīng)用中需要無刷電機(jī)的方向發(fā)展，許多工程師不得不切換到這種技術(shù)。雖然電機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)仍然適用，但外部控制電路的增加又增加了另一套設(shè)計(jì)考慮因素。設(shè)計(jì)問題列表中的重點(diǎn)是如何獲得電機(jī)換向的反饋。
電機(jī)換向
在深入研究無刷電機(jī)的反饋選項(xiàng)之前，了解它們?yōu)槭裁词潜匾姆浅Ｖ匾?。無刷電機(jī)采用單相，2相和3相配置; 最常見的配置是3階段。相數(shù)與定子上的繞組數(shù)相匹配，而轉(zhuǎn)子極可以是任意數(shù)量的對(duì)，具體取決于應(yīng)用。由于無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子受到旋轉(zhuǎn)定子磁極的影響，因此必須跟蹤定子磁極位置，以便有效地驅(qū)動(dòng)3個(gè)電機(jī)相。因此，電動(dòng)機(jī)控制器用于在3個(gè)電動(dòng)機(jī)相上產(chǎn)生6步換向模式。這些6級(jí)或換向階段移動(dòng)電磁??場(chǎng)，該電磁場(chǎng)使轉(zhuǎn)子的永磁體移動(dòng)電動(dòng)機(jī)軸。
圖1：無刷電機(jī)換向的六步模式。
使用該標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)換向序列，電動(dòng)機(jī)控制器然后可以使用高頻脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)來有效地降低電動(dòng)機(jī)觀察到的平均電壓，從而改變電動(dòng)機(jī)速度。即使直流電壓源遠(yuǎn)大于電機(jī)的額定電壓，這種設(shè)置也允許一個(gè)電壓源用于各種電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的大量靈活性。為了使該系統(tǒng)保持其優(yōu)于拉絲技術(shù)的效率優(yōu)勢(shì)，在電動(dòng)機(jī)和控制器之間需要非常嚴(yán)格的控制回路。這就是反饋技術(shù)變得重要的地方; 為了使控制器保持對(duì)電動(dòng)機(jī)的精確控制，必須始終知道定子相對(duì)于轉(zhuǎn)子的準(zhǔn)確位置。預(yù)期位置和實(shí)際位置的任何未對(duì)準(zhǔn)或相移可能導(dǎo)致不良行為和性能下降。有許多方法可以實(shí)現(xiàn)無刷電機(jī)換向的這種反饋，但最常見的是霍爾效應(yīng)傳感器，編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器。另外，一些應(yīng)用依賴于無傳感器換向技術(shù)。
職位反饋
自無刷電機(jī)問世以來，霍爾效應(yīng)傳感器一直是換向反饋的主力。對(duì)于三相控制，只需要三個(gè)傳感器，并且每單位成本非常低，從純BOM成本的角度來看，它們是實(shí)現(xiàn)換向的最經(jīng)濟(jì)的選擇?；魻杺鞲衅髑度腚姍C(jī)的定子中以檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，轉(zhuǎn)子位置用于切換三相橋中的晶體管以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。三個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器輸出通常被稱為U，V和W通道。雖然霍爾傳感器是換向無刷電機(jī)的有效解決方案，但它們只能滿足無刷系統(tǒng)的一半需求。
圖2：三相橋式驅(qū)動(dòng)電路。
霍爾效應(yīng)傳感器將允許控制器驅(qū)動(dòng)無刷電機(jī)，但不幸的是它的控制僅限于速度和方向?；魻栃?yīng)傳感器采用三相電機(jī)，只能在每個(gè)電氣周期內(nèi)提供角度位置。隨著極對(duì)數(shù)增加，每次機(jī)械旋轉(zhuǎn)的電循環(huán)次數(shù)增加，并且隨著無刷的使用變得更加普遍，因此增加了對(duì)精確位置感測(cè)的需求。為了確保穩(wěn)健和完整的解決方案，無刷系統(tǒng)應(yīng)提供實(shí)時(shí)位置信息，以便控制器不僅可以跟蹤速度和方向，還可以跟蹤行進(jìn)距離和角位置。
解決更嚴(yán)格位置信息需求的最常見解決方案是在無刷電機(jī)上增加一個(gè)增量式旋轉(zhuǎn)編碼器。除了同一控制反饋回路系統(tǒng)內(nèi)的霍爾效應(yīng)傳感器之外，通常還增加了增量編碼器。霍爾傳感器用于電機(jī)換向，編碼器用于跟蹤位置，旋轉(zhuǎn)，速度和方向，具有更高的精度。由于霍爾傳感器僅在每次霍爾狀態(tài)變化時(shí)提供新的位置信息，因此它們的精度限制為每次電氣旋轉(zhuǎn)六個(gè)狀態(tài); 對(duì)于雙極電機(jī)，每次機(jī)械旋轉(zhuǎn)只能產(chǎn)生六種狀態(tài)。與增量編碼器相比，增量編碼器提供數(shù)千個(gè)PPR（每轉(zhuǎn)脈沖）的分辨率，然后可以將其解碼為狀態(tài)變化的四倍，
圖3：六步霍爾效應(yīng)輸出和梯形電機(jī)相位。
但是，由于電機(jī)制造商不得不將霍爾效應(yīng)傳感器和增量編碼器都放在電機(jī)上，許多編碼器制造商已經(jīng)開始提供帶換向輸出的增量編碼器，通常簡(jiǎn)稱為換向編碼器。這些編碼器設(shè)計(jì)用于提供傳統(tǒng)的正交A和B通道（有時(shí)是每轉(zhuǎn)一次的索引脈沖通道Z）以及大多數(shù)無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器所需的標(biāo)準(zhǔn)U，V和W換向信號(hào)。這為電機(jī)設(shè)計(jì)人員節(jié)省了安裝霍爾效應(yīng)傳感器和增量編碼器的必要步驟。
雖然這種方法的優(yōu)點(diǎn)很有說服力，但這種方法存在重大的權(quán)衡。如前所述，為了有效地?fù)Q向無刷電動(dòng)機(jī)，必須知道轉(zhuǎn)子和定子的位置。這意味著必須非常小心，以確保換向編碼器的U / V / W通道與無刷電機(jī)的相位正確對(duì)齊。
對(duì)于在其光盤上具有固定圖案的光學(xué)編碼器和必須手動(dòng)放置的霍爾效應(yīng)傳感器，實(shí)現(xiàn)無刷電機(jī)正確對(duì)準(zhǔn)的過程既迭代又耗時(shí)。該方法涉及附加設(shè)備，包括第二電動(dòng)機(jī)和示波器。要對(duì)準(zhǔn)光學(xué)編碼器或一組霍爾效應(yīng)傳感器，無刷電機(jī)必須使用第二個(gè)電機(jī)進(jìn)行反向驅(qū)動(dòng)。然后，當(dāng)電動(dòng)機(jī)通過第二電動(dòng)機(jī)以恒定速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，示波器用于監(jiān)測(cè)三個(gè)電動(dòng)機(jī)相的反電動(dòng)勢(shì)（也稱為反電動(dòng)勢(shì)或反電動(dòng)勢(shì)）。必須根據(jù)示波器上顯示的反電動(dòng)勢(shì)波形檢查來自編碼器或霍爾傳感器的最終U / V / W信號(hào)。如果U / V / W通道和反電動(dòng)勢(shì)波形之間存在任何差異，則必須進(jìn)行調(diào)整。這個(gè)過程每個(gè)電機(jī)可能需要20分鐘，需要大量的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，并且在使用無刷電機(jī)時(shí)是一個(gè)主要的挫折源。雖然光學(xué)換向編碼器鞏固了僅安裝一種技術(shù)的負(fù)擔(dān)，但實(shí)現(xiàn)光學(xué)換向編碼器的缺點(diǎn)是缺乏通用性。由于光學(xué)編碼器在其光盤上使用固定圖案，因此在訂購(gòu)之前必須知道電機(jī)極數(shù)，正交分辨率和電機(jī)軸尺寸。雖然光學(xué)換向編碼器鞏固了僅安裝一種技術(shù)的負(fù)擔(dān)，但實(shí)現(xiàn)光學(xué)換向編碼器的缺點(diǎn)是缺乏通用性。由于光學(xué)編碼器在其光盤上使用固定圖案，因此在訂購(gòu)之前必須知道電機(jī)極數(shù)，正交分辨率和電機(jī)軸尺寸。雖然光學(xué)換向編碼器鞏固了僅安裝一種技術(shù)的負(fù)擔(dān)，但實(shí)現(xiàn)光學(xué)換向編碼器的缺點(diǎn)是缺乏通用性。由于光學(xué)編碼器在其光盤上使用固定圖案，因此在訂購(gòu)之前必須知道電機(jī)極數(shù)，正交分辨率和電機(jī)軸尺寸。
圖4：換向通道和電機(jī)相位的所需對(duì)齊。
電容式換向編碼器
CUI公司通過提供基于其AMT系列中使用的專利電容技術(shù)的增強(qiáng)型換向編碼器解決了這兩個(gè)問題的產(chǎn)品。光學(xué)編碼器使用非常小的LED通過具有特定間隔的凹口的光盤傳輸光以產(chǎn)生輸出圖案。AMT編碼器可以以類似的方式描述，但是不是通過LED傳輸光，而是傳輸電場(chǎng)。在光盤的位置是PCB轉(zhuǎn)子，其包含調(diào)制電場(chǎng)的正弦圖案金屬跡線。然后將調(diào)制信號(hào)的接收端傳遞回發(fā)射機(jī)，在那里通過專用ASIC將其與原始信號(hào)進(jìn)行比較。該技術(shù)使用與Vernier數(shù)字卡尺相同的原理，該卡尺以其可靠性和準(zhǔn)確性而聞名。
圖5：電容編碼器操作。
在AMT31系列換向編碼器提供了增量輸出A / B / Z，以及換向輸出U / V / W。通過包括電容ASIC和板載MCU的設(shè)計(jì)，編碼器以數(shù)字方式生成其輸出。這很重要，因?yàn)樗试S用戶只需按一下按鈕即可以數(shù)字方式設(shè)置編碼器的零位。只需將無刷電機(jī)鎖定到所需的相位狀態(tài)，并使用AMT One Touch Zero™模塊或AMT Viewpoint™編程GUI 將AMT31編碼器歸零。這樣就無需反向驅(qū)動(dòng)電機(jī)，也無需使用示波器查看任何輸出信號(hào)，從而有效地從裝配過程中移除了20分鐘。
由于采用了電容技術(shù)，可以動(dòng)態(tài)調(diào)整正交分辨率和換向輸出。用戶只需將AMT31編碼器連接到鑫海文，從20個(gè)正交分辨率（最多4096個(gè)PPR）和7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)極對(duì)選項(xiàng)（最多20個(gè)極點(diǎn)）中選擇，然后點(diǎn)擊“程序”。這在開發(fā)方面具有優(yōu)勢(shì)，允許工程師快速，輕松地對(duì)原型進(jìn)行任何更改，并通過允許單個(gè)庫(kù)存單元（SKU）用于不同分辨率的多個(gè)電機(jī)控制和無刷桿來幫助生產(chǎn)供應(yīng)鏈管理計(jì)數(shù)。除了支持多種分辨率和極對(duì)數(shù)的每個(gè)單元外，編碼器外殼的設(shè)計(jì)便于組裝，同時(shí)提供多種安裝選項(xiàng)和多種套管尺寸，以適應(yīng)常用的電機(jī)軸直徑。
在線客服