作者：Andrey Solovev
直流電機控制器是用于管理直流電機運行的特殊電子設備。所有直流電機都需要控制器嗎？一點(diǎn)也不。讓我們弄清楚哪些直流電機使用它以及用于什么目的。
在本文中，我們將研究?jì)煞N類(lèi)型的直流電機：有刷直流 （BDC） 和無(wú)刷直流 （BLDC） 電機。兩種類(lèi)型都使用控制器，可以啟動(dòng)和停止電機，調節其速度和扭矩，以及執行其他功能。然而，控制器對于 BLDC 電機更為重要，因為它是換向過(guò)程的一部分，對于所有由直流電供電的電機都至關(guān)重要。在這里，您將了解有關(guān)有刷和無(wú)刷直流電機及其控制系統之間的差異的更多信息。
BDC 和 BLDC 電機和控制器概述
要創(chuàng )建直流電機的旋轉，您需要切換或換向施加到電機的電流，并改變電機繞線(xiàn)組件周?chē)a(chǎn)生的磁場(chǎng)的極性。
在BDC電機中，電流流過(guò)轉子的繞組，而其定子可以有繞組（串聯(lián)，并聯(lián)，復合BDC電機）或永磁體（永磁BDC電機）。電機的運動(dòng)取決于圍繞這兩個(gè)組件產(chǎn)生的磁場(chǎng)的相互作用。因此，它們的帶相反電荷的場(chǎng)吸引并且類(lèi)似的帶電場(chǎng)相互排斥。
BDC電機的另一個(gè)關(guān)鍵元件是換向器，它切換電流的極性，并通過(guò)稱(chēng)為電刷的電觸點(diǎn)將其施加到轉子的繞組上。
BLDC 電機還有一個(gè)轉子和一個(gè)定子，但與有刷電機不同，電流流過(guò)定子的繞組。由永磁體制成的轉子可以位于電機內部（內轉子BLDC 電機）或外部（外轉子BLDC 電機）。
BLDC 電機沒(méi)有換向器或電刷等機械部件，因為這里的換向是由控制器驅動(dòng)的電子過(guò)程。通過(guò)估計轉子的位置，控制器決定何時(shí)切換電流以及為哪個(gè)定子繞組通電。因此，控制器對于無(wú)刷電機的運行至關(guān)重要。
除此之外，BDC 和 BLDC 電機控制器具有相同的功能;它們可以啟動(dòng)和制動(dòng)電機，反轉其旋轉并控制其速度和扭矩。
有刷和無(wú)刷直流電機的應用特點(diǎn)
有刷和無(wú)刷直流電機都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，定義了它們的應用領(lǐng)域。例如，BLDC 電機具有更小、更輕的結構，對其效率沒(méi)有影響。這就是為什么它廣泛用于不同尺寸的便攜式電子產(chǎn)品和無(wú)線(xiàn)設備的原因。
與機械換向器相比，BLDC 電機控制器以更高的頻率切換電流。這使電機能夠保持高扭矩并在低速和高速下平穩運行�？煽啃院偷途S護也是 BLDC 電機的強項之一。因此，其適用范圍可能包括其在以下方面的使用：
電動(dòng)車(chē);
無(wú)人駕駛飛行器;
家用電子產(chǎn)品;
工業(yè)機器人。
在某些應用中，BDC 電機已經(jīng)讓位于無(wú)刷電機。事實(shí)上，機械換向效率較低，通常會(huì )導致功率損耗。電流切換期間產(chǎn)生的火花會(huì )導致高水平的電子噪聲。此外，刷子需要定期維護和/或更換。
盡管存在所有這些缺點(diǎn)，BDC電機在注重簡(jiǎn)單性和成本效益的低功耗系統和應用中仍然很受歡迎。它們可以在遙控玩具、簡(jiǎn)單的家用、工業(yè)和汽車(chē)電器中找到。
BDC 電機控制器的設計和實(shí)現比 BLDC 控制器更簡(jiǎn)單，因為沒(méi)有復雜的電子元件和算法，在某些情況下使其成為更具吸引力的選擇。因此，讓我們看看構建這些設備中的每一個(gè)需要什么。
構建 BDC 電機控制器
在構建直流電機控制器之前，應指定技術(shù)要求并選擇特定類(lèi)型的設備�？刂破鞯奶匦园ǖ幌抻冢�
功率調節
為了調節速度或扭矩，BDC 控制器會(huì )增加或減少提供給電機的功率。線(xiàn)性穩壓器允許控制器在電機的整個(gè)工作周期內施加恒定電壓。
這種類(lèi)型的調節通常不再用于現代控制器，因為它們主要依賴(lài)于具有脈寬調制（PWM）的開(kāi)關(guān)穩壓器。這種方法允許控制器通過(guò)脈沖供電來(lái)改變電壓和電流水平。
控制類(lèi)型
簡(jiǎn)單的系統使用直流電機控制器來(lái)調節電機的運行，而無(wú)需獲得任何反饋。因此，開(kāi)環(huán)控制器無(wú)法校正電機的參數。
相反，閉環(huán)直流電機控制器可以接收來(lái)自電機的反饋并根據需要調節其速度、旋轉方向和其他參數。
直流電機控制器的其他特性包括電機的功率和工作電壓。為確保電機及其控制器的可靠性，您應該了解電機正常運行所需的電源和電壓水平。因此，您可以在低壓和高壓以及功率的電機控制器之間進(jìn)行選擇。
如上所述，大多數有刷電機使用PWM控制器。此類(lèi)器件具有一個(gè)帶有兩個(gè)高邊和兩個(gè)低邊開(kāi)關(guān)的H橋電路。例如，當電機需要加速時(shí)，控制器會(huì )增加占空比（脈沖與脈沖周期的比值）。修改后的PWM信號到達柵極驅動(dòng)器，這些驅動(dòng)器打開(kāi)晶體管的時(shí)間更長(cháng)，并允許更多的電流進(jìn)入。
要沿一個(gè)方向旋轉 BDC 電機，控制器打開(kāi)對角線(xiàn)上的 H 橋開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)過(guò)程總是有一些延遲，因此在反轉旋轉時(shí)，所有四個(gè)晶體管都可能打開(kāi)。為了防止電機出現電壓和電流泄漏，您可以增加死區時(shí)間，使控制器保持所有晶體管閉合和依次打開(kāi)。
要實(shí)現閉環(huán)控制電路，可以使用位置傳感器�？刂破鲗⒆x取傳感器發(fā)送的信號并做出相應的反應。在我們的一個(gè)項目中，我們創(chuàng )建了一個(gè)可編程直流電機控制器，既可以作為閉環(huán)系統，也可以作為開(kāi)環(huán)系統工作。為了接收電機的反饋，我們增加了一個(gè)旋轉編碼器來(lái)監控電機的狀況。
構建帶有反饋的直流電機控制器時(shí)，您應該注意微控制器的功能。MCU 應：
覆蓋傳感器信號的頻率范圍;
具有必要的信號處理速率;
有足夠的內存和閃存容量;
如果傳感器是模擬傳感器，則具有模數轉換器 （ADC）。
構建 BLDC 電機控制器
BLDC 電機控制器使用半 H 橋電路的晶體管切換電流。晶體管的數量取決于控制器激勵的相數或繞組數。三相無(wú)刷直流電機控制器（最常見(jiàn)的配置之一）需要三個(gè)半H橋，即每相一個(gè)高邊和一個(gè)低邊開(kāi)關(guān)。
接收到MCU信號后，柵極驅動(dòng)器打開(kāi)晶體管并向定子繞組提供電流。要在相位之間切換，控制器需要知道轉子的位置。有兩種方法可以檢測它：
安裝位置傳感器并使用其測量值;
感測定子繞組中隨轉子運動(dòng)一起產(chǎn)生的反電動(dòng)勢（反電動(dòng)勢）。
第一種方法更簡(jiǎn)單，但傳感器需要定期維護（例如，光學(xué)傳感器容易產(chǎn)生灰塵）。此外，您還必須添加更多電線(xiàn)，這使電機的結構復雜化。第二種解決方案在硬件級別更簡(jiǎn)單，但可能需要復雜的算法開(kāi)發(fā)。重要的是，只有當轉子移動(dòng)時(shí)，您才能感應回電動(dòng)勢。
根據我們的經(jīng)驗，當傳感器與反電動(dòng)勢傳感方法一起使用時(shí)，定位精度會(huì )提高。
檢測到轉子位置后，BLDC 電機控制器會(huì )切換電流，并將其作為梯形或正弦波形應用于不同的相位。
梯形換向的實(shí)現更簡(jiǎn)單，但是，它可能在低速時(shí)引起轉矩脈動(dòng)，并且只有在電機加快速度時(shí)才變得平穩。正弦直流無(wú)刷電機控制器主要依靠脈寬調制來(lái)產(chǎn)生正弦波。這種方法可在低速時(shí)提供平滑切換，但很難在高頻下構建正弦波。
大多數無(wú)刷電機都有閉環(huán)控制器，這些控制器使用位置傳感器和特殊算法來(lái)接收來(lái)自電機的反饋并做出響應。其中一種算法是比例-積分-微分 （PID） 算法，廣泛用于 BLDC 和 BDC 電機控制器的反饋系統。
PID算法處理當前電機的參數，并將其與參考值進(jìn)行比較。根據這些數據，它調整輸出信號的頻率，控制器相應地調節速度。
結論
直流電機在各個(gè)行業(yè)中的需求量很大。在某些應用中可互換，BDC 和 BLDC 電機仍然有其利基市場(chǎng)。例如，有刷電機的低成本和簡(jiǎn)單性使其成為日常使用的電子設備的合適選擇。電子換向 BLDC 電機可在不同功率的應用中提供可靠性和高效的速度控制。 |
