電機驅動(dòng)器文化崛起剛剛幾年，我很自然地認為大部分人都不熟悉機電控制系統。為此我召開(kāi)了幾次座談會(huì )，這真是有點(diǎn)費勁的事情。
但是我認為我有義務(wù)就這個(gè)話(huà)題培訓其他人，因為我很少看到高校課程除了簡(jiǎn)單介紹控制理論之外再做其它講解。我的目標是深入淺出地介紹無(wú)刷直流電機。
所有電機都有個(gè)概念叫做“換向”，說(shuō)的是切換電流(用某種方式)以便移動(dòng)物理轉軸的過(guò)程。當電流流經(jīng)線(xiàn)圈時(shí)轉軸就會(huì )移動(dòng)，從而產(chǎn)生磁場(chǎng)(一般來(lái)說(shuō)，是由永磁體產(chǎn)生的)，這個(gè)磁場(chǎng)與原有磁場(chǎng)可能相斥，可能相吸。該力導致轉子(電機的運動(dòng)部分)相對于定子(電機的靜止部分)而言發(fā)生運動(dòng)。
磁體是換向的一個(gè)很好的類(lèi)比。當把兩個(gè)磁體放在桌子上同極相對時(shí)，它們會(huì )相互排斥。當兩個(gè)同極距離足夠遠后，它們將停止移動(dòng)。如果把一個(gè)磁體靠近第二個(gè)磁體，第二個(gè)磁體也會(huì )因同性相斥被推遠。如果繼續這樣做，磁體將持續移動(dòng)，這就是換向的線(xiàn)性示例。
有刷直流電機實(shí)行機械換向，這意味著(zhù)電機的物理結構實(shí)際上會(huì )導致電機換向。電刷與換向器接觸，隨著(zhù)電機旋轉，電流通過(guò)電機線(xiàn)圈，將會(huì )使極性交替。這允許定子永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)，始終與轉子產(chǎn)生的磁場(chǎng)相反，因而總能產(chǎn)生力。機械換向表示有刷直流電機只需在電機繞組上施加一些電壓即可旋轉，如圖 1所示。
圖 1. 有刷直流電機結構
很多讀者在看到本文的標題后很可能正處于迷惑中，因為到現在為止我還沒(méi)有談及無(wú)刷直流電機。不過(guò)，為了解釋“無(wú)刷”，我需要首先解釋電刷用在什么地方。
無(wú)刷電機的起源從頭來(lái)講也是比較簡(jiǎn)單的：大部分有刷直流電機的問(wèn)題都來(lái)自于電刷。電刷可能打火花、磨損、產(chǎn)生很強的噪音并產(chǎn)生很大一部分功耗，導致速度被嚴重限制，且不容易冷卻。這意味著(zhù)您不能在任何易燃物周?chē)�、需要長(cháng)使用壽命、靜音或高效率的應用條件下、在任何高速或高功耗系統中使用有刷直流電機。這都是電刷顯著(zhù)的缺點(diǎn)，取消電刷就可以解決這些問(wèn)題，但是不好的地方是同時(shí)消除了機械換向。
缺乏機械換向會(huì )造成其它問(wèn)題，因為電機需要換向。無(wú)刷電機使用電氣換向，聽(tīng)起來(lái)很神奇嗎？這種換向方式下，您需要確保電機中的電流始終產(chǎn)生一個(gè)可以移動(dòng)轉子的磁場(chǎng)。但是看看圖 2，您需要先知道轉子在哪里，才能考慮如何施加電流來(lái)移動(dòng)轉子。
圖 2.無(wú)刷直流電機結構
無(wú)刷直流電機系統的首個(gè)重大結構決策是“有傳感器(sensored)”和“無(wú)傳感器(sensorless)”之分。您需要知道轉子在哪的話(huà)，有兩種方法能幫助您：
•有傳感器法，通常使用霍爾效應傳感器或編碼器，來(lái)探測轉子的位置。雖然編碼器可以給予非常準確的角度反饋，但這種方法成本很高�；魻栃獋鞲衅魇且环N很受歡迎的磁傳感器。在三相無(wú)刷直流電機中，部署三個(gè)霍爾效應傳感器可以實(shí)現簡(jiǎn)單的六步換向。
•無(wú)傳感器法，位置估計通常涉及測量或估計電機旋轉時(shí)產(chǎn)生的逆電動(dòng)勢(EMF)。逆電動(dòng)勢是個(gè)復雜的話(huà)題，最好單獨講解。簡(jiǎn)言之，它是電機線(xiàn)圈上生成的電壓，即電機速度及電機負載的函數。無(wú)傳感器法的本質(zhì)上是一種估計，通常需要進(jìn)行復雜的計算。隨著(zhù)電機速度的下降(例如，對于位置控制的伺服電機)，無(wú)傳感器法將變得異常困難，這是因為逆電動(dòng)勢隨速度下降。
無(wú)刷直流電機系統的第二個(gè)重大結構決策是控制方法。如果您知道轉子在哪里，需要施加一定的電流來(lái)移動(dòng)轉子的話(huà)，三相無(wú)刷直流電機需要至少六個(gè)不同的電位。圖 3是一張簡(jiǎn)圖，您可以使用“梯形”、“六步”或“120度”的控制方法來(lái)找到無(wú)刷直流電機換向的方法。
圖 3. 有傳感器梯形換向
另外一種方法是為電機施加更平滑的電流波形，這稱(chēng)之為“正弦波”控制或“180度”。與梯形控制相比，當與合適的電機配合使用時(shí)，這種控制方法能夠提高效率，降低噪音。缺點(diǎn)是要實(shí)現平滑電壓和電流分布，復雜性比較高，通常需要更準確的脈寬調制(PWM)計時(shí)器。
圖4. 正弦波整流
在寫(xiě)這篇短文時(shí)，我很快就意識到這個(gè)主題其實(shí)非常寬泛。如磁場(chǎng)定向控制、電機啟動(dòng)、內轉子與外轉子、極數、Δ(Delta)與Y型繞組，以及許多細節本文無(wú)法一一述及。不過(guò)，我真心希望您能在讀過(guò)后，在電機知識方面有所受益。 |
