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无刷直流电机如何控制?


在微型直流电机应用中,有刷直流电机和无刷直流电机各占据了半壁江山,有刷直流电机以低成本、控制简单、扭矩大为特点,被广泛应用,而无刷直流电机一直被认为成本高、控制复杂,那么无刷直流电机控制到底有多复杂呢?下面伟德微电机来聊一聊无刷直流电机的控制。
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无刷直流电机的基本先容:无刷直流电机与有刷直流电机的不同之处在于没有换向器与电刷,减少了磨损,采用电子换向使直流电机的效率也大大了提升(约百分之二三十左右)。而控制的复杂也导致了成本增加,直流电机电子整流需要监控电路来保证转速和转矩控制线圈的通电时间,保证直流电机运行的峰值效率。

  无论是何种直流电机,都是遵循电能转换机械能的规律,电流在通过线圈时便会产生磁场,而第二个磁场的存在绕组上产生一个力达到最大时,导体在90°第二个字段。增加线圈的数量可以提高电机输出和平滑输出功率。

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  直流电机复杂的控制:目前,直流无刷电机常见的控制方式为PWM,也叫做脉宽调制控制,原理是通过将输入的直流电压转换成调制的驱动电压,PWM控制可提供精确的控制速度和扭矩,它的是在高频率发生的开关损耗和发生在低频率的波纹电流之间的一种平衡,在极端情况下,会损坏电动机。通常,PWM频率至少比最大电机转速高一个数量级。
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  电子交换有三种控制方式,即梯形、正弦、磁场定向控制,其中梯形是最简单的一种,但是缺点是会导致直流电机的扭矩波纹,尤其是在低转速时比较明显。正弦控制则更复杂一些,但是这种方式可以减小直流电机的转矩脉动,输出功率也更加平稳。磁场定向控制比较依赖测量和调整定子电流,这种控制方式比正弦更有效,动态负载变化比其他控制技术性能更好,几乎是没有转矩脉动,更加平稳、精确的控制。
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  在使用梯型控制的直流电机中,其MOSFET的桥接开关必须在一个精确定义的序列中发生,才能使直流电机有效运行,而开关顺序由转子磁体和定子绕组的相对位置来决定。

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  传感器与无传感器直流电机:最为常见的是采用三个霍尔传感器嵌入定子和安排在相等的时间间隔,一般是在60°、120°,无传感器控制技术需要电气连接。在配备传感器的直流电机中,每个霍尔传感器与一个开关相结合,开关会产生一个逻辑高或低型号,换向就是由霍尔传感器和开关的逻辑型号组合成的,无论什么情况,至少会要有一个传感器由一个转子磁极触发而产生一个电压脉冲。

  无传感器直流电机利用的是电动势,电动势倾向于阻抗电机的旋转,被称之为反电动势,对于给定电机的固定磁通量和绕组数,电动势与转子的角速度成正比。通过对反电动势的监测,用微控制器可以确定定子和转子的相对位置,因此就不需要霍尔传感器了,这也简化了直流电机的结构,减少了直流电机线路的连接,也提高了可靠性。值得注意的是,直流电机在静止时是不会产生反电动势的,控制器就没有办法确定启动时直流电机的位置,这就需要在开环配置中来启动直流电机,直到控制器产生足够的电动势来确定转子、定子的位置再进行接管。像一些禁用反向旋转的直流电机,就需要更复杂的控制机制了,这时不多赘述。


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