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无刷直流电机的换向原理

作者: 深圳顺力电机发表时间:2022-04-13 11:12:24浏览量:209

直流无刷电机从结构上,比直流有刷电机少了电刷和换向器,所以内部结构无法自己完成换相的操作,因此就需要外部驱动信号进行换向。 直流无刷的内部结构如下,由定子和转子构成,定子是电枢绕组,通常有三组线U、V...

直流无刷电机从结构上,比直流有刷电机少了电刷和换向器,所以内部结构无法自己完成换相的操作,因此就需要外部驱动信号进行换向。

直流无刷的内部结构如下,由定子和转子构成,定子是电枢绕组,通常有三组线UVW;转子是永磁体。

对电枢绕组施加适当大小的电流,线圈将产生一个磁场,该磁场将吸引转子的永磁体。一个接一个地激活每个线圈,这样可以产生一个旋转的磁场,由于永磁体和电磁体之间的力相互作用,转子将在旋转的磁场作用下继续旋转。

初步了解了内部的结构和通电机制之后,我们就需要产生相应的驱动信号去产生旋转的磁场,带动转子转动。

通常我们会在MCU中会固化一段代码,这段代码可以产生驱动信号,然后驱动信号通过IPM间接驱动六个功率开关元器件(这里可以是MOSFET),从而产生旋转的磁场。

电机模型可以等效成三个星型连接的电感,所以我们需要做的工作就是如何去产生驱动信号。

这里其实是一种两两通电的方式。如果我们将 A 相上拉至高电平,然后在另一侧将 B 相接地,则电流将从 VCC 流过A 相,中性点和 B 相,最终流向地。

因此,只需一个电流,我们就可以产生了四个不同的磁极,从而导致转子移动。

其实电机内部一般可以等效成一个星型的连接方式,ABC三相的中性点连接在一起,外部通过MOSFET或者IGBT组成功率开关元器件,进行控制。

首先规定一下驱动电路的相应符号:

使用SW1SW2作为一个上下管驱动U,或者是a

使用SW3SW4作为一个上下管驱动V,或者是b

使用SW5SW6作为一个上下管驱动W,或者是c

然后我们在这里规定:上管打开标记为+,下管打开标记为-,上下管都不开标记为0。最终让转子朝一个方向旋转的驱动时序应该是这样的:

1a+b-c0

2b+b0c-

3a0b+c-

4a-b+c0

5a0b0c+

6a0b-c+

驱动的六步方波时序正确之后,基本可以实现对无刷直流电机的开环控制驱动了。对于每一相都是六步的驱动时序,然后两相之间的相位相差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°。

实现开环运行之后,就要进行闭环控制了,首先有一点需要说明的是,前面的六步PWM时序,并没有根据转子的实际位置进行磁场的切换,所以可能出现的情况,就是失步,这个有点类似步进电机。结果就是实际磁场旋转的速度可能远快于转子旋转的速度,导致磁场的旋转速度和转子不同步,所以就造成了失步。如果这里引入转子的位置反馈量,就可以完美的解决这个问题,所以通常会加入霍尔传感器来检测实际的转子位置。

转子处于不同位置的时候霍尔传感器会产生相应的信号,并且还可以根据霍尔信号计算转速,作为后面速度闭环的反馈值。

一般来说增加了霍尔传感器,在成本和电机的结构复杂程度上都会大大增加,所以这里可以通过检测每一相的反电动势(Back EMF),来进行位置的估算以及速度的计算。无刷直流电机的反电动势是梯形反电动势。

无感应器方波的驱动方式难点在于启动和过零点的检测上,通常启动可以使用三段式启动的方式,即转子预定位,开环强拖,开环切闭环,这三个过程。另外还可以进行高频注入的方式确定转子的初始位置,然后直接进行启动,在过零点的检测和换相存在一定的难度。

那么以上就是有关无刷直流电机的换向原理介绍,希望可以对您有益~

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