直流无刷与直流有刷电机

概论第一步理解基础原理 —— 它为什么能转无刷电机BLDC的核心在于用电子换向取代了有刷电机的机械换向。它将有刷电机的结构“反过来”了线圈定子固定不动而磁铁转子在旋转。这种方式摆脱了物理电刷的摩擦和火花带来了更高效率、更长寿命和更低噪音的优点。但要让它转起来需要一个“聪明的指挥官”来精确地控制电流这就是驱动器和控制器的作用。1. 核心硬件三相全桥驱动电路由于没有机械换向器无刷电机必须依靠外部电路来切换电流。这个电路的核心是三相全桥它由6个功率开关管通常是MOSFET构成。通过控制这6个开关的导通和关断驱动器就能精确控制电流何时流过电机的三相线圈从而产生不断旋转的磁场拉着转子永磁体旋转。2. 关键信息如何知道何时换向“指挥官”要下达换向指令首先必须知道转子的当前位置。这主要通过两种方式实现有感控制在电机内部安装霍尔传感器等位置传感器直接测量转子的位置信号精确。无感控制不安装物理传感器而是通过检测电机线圈中产生的反向电动势Back-EMF来“间接推算”转子位置。第二步深入控制算法 —— 如何让它转得更好知道了转子位置接下来就是决定如何换相。不同的控制算法决定了电机最终的性能表现。目前主流的控制方式可以理解为三个层级1. 方波控制六步换相法这是最基础、最简单的控制方法。原理在一个360°的电气周期内分6步每60°一个扇区进行换相每次给两个线圈通电。特点算法简单成本低但转矩波动大噪音也相对明显。常用于对控制精度要求不高的场合如风扇、普通水泵。2. 正弦波控制SVPWM它是对方波控制的升级驱动波形更“圆滑”。原理对电机施加正弦波电压使电流也呈正弦波变化理论上实现了“无限多次”的换相。特点运行更平稳噪音更小但对传感器的精度要求更高控制相对复杂。适用于医疗设备、高端家电等对噪音和稳定性有要求的场景。3. FOC磁场定向控制也叫矢量控制这是目前高性能应用的首选被誉为“天花板”。原理通过复杂的数学变换Clarke/Park变换将三相电流分解为两个独立的直流分量励磁分量Id和转矩分量Iq进行精确控制使磁场始终保持90°垂直从而获得最大扭矩。特点效率最高、转矩脉动最小、动态响应最快、噪音最低但算法复杂硬件成本高。是电动汽车、工业机器人、高端伺服系统的理想选择。直流电机的原理无刷直流电机:通过逆变电路实现驱动换向有刷直流电机:通过电刷和换向器实现换向另外还有一种电机和无刷直流电机 (BLDC) 很像, 就是永磁同步电机 (Permanent Magnet Synchronous Motors, PMSM).两者的主要区别是反电动势的波形. BLDC 反电动势接近于梯形波, 而 PMSM 反电动势接近于正弦波.BLDC 径向充磁的表贴式磁钢感应产生平顶度很宽的梯形波反电势.但是现实世界中的波形一般都不完美, 还不足以反电动势 100% 区分两者.但如果结合定子绕组形式 (BLDC 多集中式, PMSM 多分布式)、价格 (BLDC 相对便宜, PMSM 相对较贵)、应用场合 (移动机器人多用 BLDC, 新能源汽车多用 PMSM) 这些综合判断的话, 两者区分度还是很大的.为了实现定子磁场的旋转 (即六步换向), 需要交替有序地导通定子的三相电极. 而实现三相电极交替导通的驱动电路为三相全桥逆变电路, 控制上按照六步换向时序进行控制.无刷直流电机的换向检测无刷直流电机要实现六步换向时序控制, 需要通过检测 (反馈) 手段, 进行换向同步驱动控制.根据不同的检测手段, 又将 BLDC 的驱动控制分为有感驱动和无感驱动两类.有感驱动霍尔传感器 (BLDC 有感控制中最常用的传感器) 采集转子位置信号, 再根据霍尔信号进行电流换相优点:电机启动和低速时可以做到大力矩输出;启动时不会有抖动, 非常顺畅缺点:霍尔自身比较敏感脆弱易受干扰;增加信号线 (5根) 和安装结构;增加体积和成本应用场景: 车模和船模中的电调多是使用 “有感” 方式, 因为其电机需要频繁启动、停止、反转无感驱动不需要外部位置传感器, 通过检测悬空相的反电动势的过零点, 进行换向控制优点: 成本和结构上有了大的简化;外置驱动时电机只有三根相线缺点:带载、满载启动容易抖动或启动失败,只适合固定负载启动或者空载启动的场合无感控制启动的时候可控性较差, 要达到一定转速后才变得可控应用场景: 航模/无人机一般用 “无感” 方式, 因为航空发动机一旦转起来后, 在空中不需要停车无刷直流电机的有感控制1. 有感控制的霍尔检测2. 有感控制策略3. 有感控制律BLDC 有感控制就是通过位置传感器获得转子的位置 (转角), 然后通过控制定子线圈中的电流导通实现对定子磁场的调制.使得定子磁场相位领先于转子转角相位 60°~ 120° 之间 (电角度), 这样定子磁场始终能够以较高的效率驱动转子的转动.定子磁场就是根据转子位置数据的反馈而进行控制. 位置传感器一般选用较廉价的霍尔传感器.从下面各 BLDC 逆时针旋转的有感控制律图片中也可以看出:- 转子相位进入 300° ~ 360° 区间时, 定子相位马上被控制到 60° 上;- 转子相位达到 0° ~ 60° 区间时, 定子相位马上被控制到 120° 上;(依此类推) … …霍尔传感器检测作用是确定和触发 “六步换向法” 中的换向时机, 产生最优电能-机械能转换效率.IV. 无刷直流电机的无感控制对比有感控制的换向时机, 如需无感控制达到有感控制同样的效果, 需要在 B 相反电动势过零并延迟 30° 相位后, 执行换向 (换相) 控制.在该换向时刻进行换向后, 定子相位为120°, 此时转子相位为 0°. 其他换向时机依次类推.在准确检测出悬空相端电压 (反电动势) 的过零点后再延迟 30° 电角度, 即为 BLDC 无感控制的换向时机.和有感控制一样, 在每次换相 (换向) 后的瞬时, 定子磁场 (合成磁场) 领先转子磁场方向120° 电角度. 然后在转子磁场向前转动 60° 电角度的过程中, 保持定子磁场不变, 直到下一个换向时机到来.区别于 FOC 控制的是, FOC 控制使得定子的合成磁场始终领先转子磁场 90°, 始终保持最高效的控制. 可见在原理上 FOC 是相对六步换向法更高效和精密的控制方法, 技术难度上也更高, 本篇博文暂不展开 FOC 的内容.我们知道了 BLDC 无感控制的换向时机取决于悬空相的反电动势过零点时刻.那么无感控制的重点就是悬空相的过零点检测技术了.无感控制的过零检测方法 —— 母线电压无感控制的过零检测方法 —— 虚拟中性点感控制的 “三段式” 启动如下两个原因使得 BLDC 无感控制的平稳启动成为难题,(1) 没有位置传感器反馈转子的位置以掌握控制换向的时机而让电机逐渐平稳运转起来(2) 初始时刻转速较慢且不平稳, 故反电动势还微弱且紊乱, 无法利用反电动势过零点检测来确定转子位置与换向控制的时机为了解决这个启动难题, 一般使用如下表描述的 “三段式” 启动法来启动无感的 BLDC:序号启动阶段控制方法1转子预定位给任意两相通电, 通电一段时间后, 转子会转到与该通电状态对应的预知位置, 完成转子的预定位 (需电流控制器保证电流不超过最大值)2外同步加速根据预先设计好的优化加速曲线, 不断提升换相信号的频率及增大端电压, 实现电机的外同步加速 (开始获得有效转子位置信号, 即过零点检测信号, 电机处于他控式同步电机状态)3运行状态切换当电机加速到一定转速后, 就可以准确地检测到反电动势的过零点信号了. 此时可用该过零信号代替外同步信号, 实现外同步运转到自同步运转的切换 (转子磁势通常平均滞后定子磁势 90° 电角度 —— 60° ~ 120° 之间变化, 使得单位电流产生的转矩最大化)无刷直流电机的无感启动尚且这么复杂, 要想频繁地正反转切换控制就更麻烦了. 实际使用中只能避开这种应用需求, 转而采用有感控制.无刷直流电机的无感启动尚且这么复杂, 要想频繁地正反转切换控制就更麻烦了. 实际使用中只能避开这种应用需求, 转而采用有感控制.V. 无刷直流电机的调速与制动1. PWM 调速与续流无刷直流电机也采用脉宽调制技术 (Pulse Width Modulation, PWM) 进行调速. PWM 是最常用的电机调速方式, 实现宽转速、灵活调速, 频率在几百 Hz 到几十 KHz 之间. 通过 PWM 波对桥式逆变功率管的开关状态进行调制, 达到对相电流的控制和调节, 从而控制电机转速.根据无刷直流电机在每个开关管导通的 120° 电角度的时间内, 不同的斩波方法, 可以将 PWM 调制分为五种模式:- H_PWM-L_PWM 模式- ON_PWM 模式- PWM_ON 模式- H_PWM-L_ON 模式- H_ON-L_PWM 模式如 PWM-ON 模式, 在 120° 导通区间, 对应的两个开关管前 60° 采用 PWM 调制, 后 60° 则恒通.又如 H_PWM-L_ON 模式, 上桥斩波而下桥恒通. 在每个通电状态中, 只对上桥臂进行 PWM 调制, 而下桥臂保持恒通. 该模式能有效的降低电机的转矩脉动, 特别是在高速情况下.H_PWM-L_ON 模式中, 高电压端 PWM 驱动上桥, 低电压端可由普通 IO 驱动下桥, 如图 “驱动形式” 所示.PWM 调速中, 需要考虑 PWM 波快速跳转与通断时, 元器件击穿问题或者电流续流问题. 这是就需要逆变电路中的续流二极管发挥作用了.如图 “续流回路” 所示, 当 PWM 由高电平进入低电平, Q1 由导通变为关断, 原回路消失. 需利用仍然导通的 Q4 与一直关断的 Q0 的续流二极管构成回路, 进行续流.续流二极管起到了平缓电流的作用, 不致电感感应电压太高而击穿元器件, 同时能够平滑电机输出力矩. 有了续流回路, PWM 调速才得以可行.2. 无刷直流电机的制动制动分类制动方法制动控制描述机械制动抱闸方法如电磁抱闸电气制动短接制动将系统动能转换成电能消耗在定子绕组上让电机的驱动MOS管上桥臂 (或者下桥臂) 全部导通而下桥臂 (或者上桥臂) 截止状态, 电机的三相定子绕组全部被短接绕组的电阻比较小, 能产生很大的短路电流, 使电机瞬时产生极大的制动力矩, 能够达到快速刹车的效果~能耗制动将系统动能转换成电能消耗在制动电阻上~反接制动反接制动是将电机绕组接向电源的极性对调, 使得驱动电源极性与反电动势电源极性一致两者叠加产生很大的制动电流, 制动效果明显但产生热量大~回馈制动将机械能转换为电能, 反馈到储能装置 (无法用于故障、急停、断电)