tag 标签: 无刷电机

相关博文
  • 热度 2
    2024-3-27 12:23
    157 次阅读|
    0 个评论
    无刷电机是一种使用电子换向的电机,它 具有节能、寿命长、噪音低等特点 。以下是关于无刷电机的一些相关内容: 结构特点 :无刷电机的定子绕组通常采用三相对称星形接法,与三相异步电动机类似。转子上粘贴有预先充磁的永磁体,为了检测转子的极性,电机内部装有位置传感器。 工作原理 :无刷电机通过霍尔元件感知永磁体磁极的位置,根据这种感知,电子线路会适时切换线圈中电流的方向,从而保证产生正确方向的磁力来驱动电机。这种设计消除了有刷电机的缺点,如电刷磨损和电磁干扰等。 类型划分 :无刷直流电机(BLDC)也被称为电子换向电机(ECM)或同步直流电机,它是一种使用直流电源的同步电机。 应用范围 :无刷电机在模型制作中使用非常广泛,它们不使用机械的电刷装置,而是采用方波自控式永磁同步电机,以霍尔传感器取代碳刷换向。 性能优势 :无刷电机相比有刷电机具有更长的使用寿命、更低的噪音和更小的体积重量。这些特点使得无刷电机在各种高性能应用场景中受到青睐。 综上所述,无刷电机以其优越的性能和广泛的应用领域,成为了现代电机技术的重要组成部分。
  • 热度 2
    2024-3-25 17:40
    316 次阅读|
    0 个评论
    无刷电机的输出特性:转矩和转速 电机的输出是机械能(力学),因此有“转矩”和“转速”两个指标。在本文中,将结合此前介绍过的内容为大家介绍这两项特性取决于哪些因素,以及它们之间有什么样的关系。 ■无刷电机的转矩 我们先来了解“转矩”。电机的实际转矩大小还与电机的直径和长度有关,如果要详细解说,会比较复杂,所以这里将相应的元素视为“常数A”。在设计电机驱动器前需要了解的知识包括转矩取决于电磁体的磁力大小和永磁体的磁力大小,以及它们的相对角度θ。下图中给出了转矩公式。这里的电磁体的磁力等于线圈的匝数(Turns,比如缠绕30圈匝数就是30。在这里,一个线圈的匝数用“N t/c”来表示)与电流的乘积再乘以常数B。常数B是由齿槽的大小和铁芯材料特性决定的值。另外,永磁体的磁力取决于磁体的材料和制造工艺等因素所决定的磁性能。 在这里,为了简化公式,我们将聚焦在电机特性上。这样,在这些关系式中,永磁体的磁力和匝数是恒定的。因此,如果把这些元素合在一起视为“常数C”,则输出转矩就是涉及到电流和sinθ的公式。这个关系式很重要。顺便提一下,在“无刷电机时序图的绘制方法”一文中给出的公式T=A×sinθ中电流也是恒定的(该A与上面的A值不同)。 ■无刷电机的转速 接下来我们来了解电机的“转速(旋转速度)”。电机的转速是由上述的输出转矩与转动风扇等所需的负载转矩的大小关系决定的。通过以下两个物理公式即可理解。一个公式是“转矩=转动惯量×加速度(F=ma定轴转动)”,另一个公式是“速度=加速度的积分”。可见,如果输出转矩与负载转矩之间有差值,就会发生加速,速度就会变化。而这种速度变化会使输出转矩和负载转矩发生变化,当两者一致时,加速度变为零,并以该转速稳定运行。 针对转速变化会改变输出转矩这一情况,作为示例我们来思考一下当没有负载转矩(空载)时会发生什么。在上述公式中,如果负载转矩为零,则加速度a不为零,速度会逐渐增加。当然,速度不会无休止地增加下去。在这里,“速度”与“电流(决定转矩)的影响因素”是息息相关的。如下列电流计算公式所示,电流是由“施加电压减去感应电压后的值和绕组的阻抗”决定的。因此,随着转速的提高,感应电压Vbemf会提高,电流会减小并最终变为零,即加速度变为零,转速稳定。电机的转速是由这些因素相互作用决定的。 无刷电机的输出特性:电机的实际驱动状态 电机主要有三种驱动状态。一种是电机空载旋转的状态,此时的输出转矩几乎为零。第二种是负载旋转状态。这个状态可以说是电机正常使用时的状态。最后一种是堵转(固定)状态。是电机被施加了电压却不旋转的状态。除此以外,还有电机受外力作用而旋转的状态(再生状态、发电状态)、反转状态、不施加电压的状态,在这里我们仅对主要的三种状态进行说明。 ■空载状态 这是一种不需要输出转矩的状态(严格地讲,因为有轴承摩擦等负载,所以还是需要转矩的)。在这种状态下,绕组电流几乎为零。电流为零意味着施加电压和感应电压值几乎相同。换句话说,可以说空载状态是转速已经上升到感应电压与施加电压同值时的状态。 当施加电压为下图所示的方波(矩形波)、感应电压为正弦波时,关于相同值是怎样的状态还有讨论余地,不过我们在这里将电流总体为零这一条件视为同值。 ■负载状态 这是需要转矩来使风扇等负载旋转的状态。由于需要绕组电流来产生该转矩,因此如下图所示,感应电压比空载状态下要小。所以转速低于空载状态下的转速。 ■堵转状态 这是电机不旋转、不产生感应电压的状态。在这三种状态中,堵转状态下的电流最大,转矩也最大。 为了加深大家对这些状态变化的理解,在下一篇中,将为大家介绍S-T特性和I-T特性曲线图。 无刷电机的S-T特性和I-T特性 电机的S-T特性可用横轴为电机转速、纵轴为转矩的曲线图来表示。I-T特性可用横轴为电机的绕组电流或电源电流、纵轴为转矩的曲线图来表示。这些曲线图也可以将横轴和纵轴交换显示。这些是用来了解电机特性的具有代表性的曲线图。 ■S-T特性与电机状态 下图表示电机的S-T特性。如前所述,这是一张横轴表示电机转速、纵轴表示电机转矩的曲线图。该图中给出了上一篇中提到的三种电机状态在S-T特性图中所对应的位置。 S-T特性曲线因电机而异,也会随着施加电压的变化而变化。该图中列出了某电机的占空比(Duty)为100%、50%和25%时的特性。 “空载状态”对应转矩为零时的区域。此时的转速称为“空载转速”。空载转速大致与施加电压成正比变化(沿曲线图的横轴变化)。 “堵转状态”是转速为零的状态。此时的转矩是电机开始转动时的转矩,从这个意义上讲,称为“启动转矩”。该转矩也与施加电压成正比(沿曲线图的纵轴变化)。 “负载状态”是有负载转矩、且电机旋转的状态,对应上图中的三角形区域。 只要没有外力干扰,电机就会在这个范围内运行。顺便提一下,如果电机受外力影响而过度旋转,就会处于发电状态(再生状态)。另外,当电机反向旋转时,可能会产生比启动转矩更大的转矩。 ■无刷电机的I-T特性 I-T特性可用横轴为电机的绕组电流或电源电流、纵轴为转矩的曲线图来表示。该图中特性曲线的斜率因电机而异。另外,当改变占空比时,绕组电流的特性曲线斜率不会变,但电源电流的斜率会发生变化。因此,在确认I-T特性时,需要知道电流曲线是什么电流的,这一点很重要。 ■从S-T特性和I-T特性曲线图中可以获取的信息 从这两张特性曲线图中,可以判断电机是否可以在其使用条件下正常运行。例如,需要判断要在某个设备中使用的电机是否合适时,如果电机运行时所需的转速和转矩都在S-T特性图中三角形的范围内,则可以判断该电机规格可用,如果超出范围则可以判断该电机无法使用。 在超出范围的情况下,需要变更电源电压和电机的绕组规格。但是,这些变更也会对电机驱动器带来影响。电源电压的变更涉及到IC的耐压能力。另外,绕组规格的变更会改变I-T特性,而且会涉及到IC的驱动电流。因此,需要了解电机特性的变化对电机驱动器IC的影响。 无刷电机的规格变更和特性变化 可以通过变更电源电压和电机的绕组规格来改变电机特性。然而,如前所述,这些变更也与电机驱动器的规格有关。在设计电机驱动电路时,事先了解电机规格变更带来特性变化的原则是非常重要的。 电机的特性会受电机尺寸等因素影响而变化。即使尺寸相同,电机特性也会因绕组规格(绕组直径、匝数)和永磁体的磁力而异。通过S-T特性和I-T特性曲线图可以了解这些因素变更时的变化示例。这里给出的示例都具有提高电机效率的效果。但也是同时会导致成本上升的变更方案。另外,还可以采用不同的项目变更相结合的变更方式。 至此我们已经了解了诸如电机的转矩和转速、驱动状态、S-T特性和I-T特性、规格变更和特性变化等电机输出特性。这些都是要想很好地控制电机所需的基础知识,结合文中给出的公式和曲线图应该比较容易理解,希望大家扎扎实实地掌握好。在下一篇中,我们会进一步了解电机的输出转矩。 来源:techclass.rohm
  • 热度 1
    2024-3-25 17:38
    353 次阅读|
    0 个评论
    在“ 无刷电机驱动的实际信号波形 ”给出的时序图中,没有“绕组电流和感应电压”项,前面的文章对该要点进行了讲解,不知道您是否理解了?接下来我们再来谈谈第二个要点——“脉冲状的施加电压”。 无刷电机:脉冲状的施加电压 关于现象和波形等内容,请参阅“ 无刷电机驱动的实际信号波形 ”,请在了解了这些内容之后再阅读本文。 实际的电机驱动信号波形也有一些是在设计图(即时序图)中无法体现的。接下来将为您介绍其中无法通过此前的介绍内容理解的一些关键要点。 ■无刷电机:脉冲状的施加电压 在用示波器观察电机的各种电信号时,控制功率晶体管ON/OFF的指令信号有可能是脉冲状的(下图中的栅极信号UH)。对于电机控制而言,这也是非常重要的一点。 在介绍指令信号变为脉冲信号的内容之前,我们先来稍微思考一下电机需要具备的功能。很多应用设备都是通过改变电机的转速和转矩来运行的。电风扇和空调风扇通过改变电机转速来调节风量,电车和电动汽车也是通过改变电机的速度和转矩来工作的。而对电机转速和转矩的控制则是通过调整所施加的电压大小实现的。例如,如果是一台使风扇旋转的电机,那么提高施加电压将会提高转速和转矩。基于这个道理,电机和电机控制需要具备调整所施加电压大小的功能。 调整施加电压主要有两种方法。一种是改变电源电压。这是一种被称为“PAM(Pulse Amplitude Modulation,脉冲幅度调制)控制”的方法,可以改变所施加电压的大小(振幅、高低)。 另一种是通过将所施加的电压变为脉冲来改变平均值,这是一种被称为“PWM(Pulse Width Modulation,脉冲宽度调制)控制”的方法。这种PWM控制方法,通常通过在基准周期(下图中的T)中创建Hi和Lo期间,并调整它们之间的比率,来控制施加的平均电压。这个周期称为“PWM周期”,或者转换成表示频率的值,称为“PWM频率”。 PAM控制需要有调整电源电压的电路。PWM控制只要能充分利用其使功率晶体管ON/OFF的功能即可,近年来,采用PWM控制方法调整施加电压已经成为主流的做法。另外,利用这种控制,可以局部调整电压的大小,而不是像120度激励那样施加均匀电压,因此控制范围更大(例:正弦波激励)。 PWM控制方法中的电压调整率用Duty(占空比)表示。例如,当电源电压为100V、将施加电压调整为30V时,会使用“将Duty设为30%”这样的表述。 在第一张图中,示波器观察到的UH波形是脉冲状的,这表明这个控制IC(电机驱动器、控制器)采用的是PWM控制方式的120度激励。顺便提一下,Duty主要是从外部(比如应用设备的控制器等)输入的控制指令,因此电机驱动器会配备接收该指令的输入引脚。 无刷电机:绕组引脚OFF期间的波形 “绕组引脚OFF期间的波形”是指各相高低边晶体管均关断期间绕组引脚表现出来的波形。这种状态称为“开路状态”、“OPEN状态”、“Hi-Z(高阻态、高阻抗)”等。在这里我们使用“开路”来表示。 在左图中虚线圈出的时间点,U相处于开路状态,V相电压处于施加PWM电压状态,W相处于恒定为Lo状态。此时,V相和W相的绕组引脚电压已经通过开关(晶体管)固定在电源电压或GND中,所以会呈现右图所示的波形。 由于U相处于开路状态,因此出现了图中以中性点为基准的波形。中性点为V相引脚电压与W相引脚电压的分压值。V相和W相的Z・I(电压)值大致相同,但由于V相和W相的感应电压大小不同,因此如图所示,中性点电压呈现有梯度的脉冲状波形。另外,由于该中性点电压上还叠加了U相感应电压,因此U引脚电压呈现图中所示的波形。这是120度激励、高低边晶体管处于OFF状态(开路状态)的相的绕组引脚波形。 在电机控制中,这种“可以看到含有感应电压的波形的现象”很有使用价值。如上所述,OFF期间(开路状态)的绕组引脚电压呈现中性点电压与感应电压叠加后的波形,因此通过测量以中性点为基准的绕组引脚电压,即可测出该相的感应电压。 在前面的“无刷电机感应电压产生的原理”中,提到过感应电压是由线圈位置与转子(永磁体)的相对位置决定的。这意味着可以根据感应电压来推算转子的位置。 不使用霍尔器件等检测器件,而是利用该原理掌握转子位置的方法被称为“无传感器控制”,该方法已经得以广泛应用(如前所述,在电机控制中,转子位置的检测很重要)。顺便提一下,这种无传感器的传感装置是指霍尔器件等磁极检测器或编码器等转子位置检测器,需要配备用来检测感应电压的传感器。 另外,图中的波形还有一个需要注意的部分。从图中可以看出,出现感应电压的U相引脚电压波形并没有不受控地下降到一定值以下。下面介绍一下这种现象的原因。 无刷电机:续流二极管 在用示波器等设备确认绕组引脚电压时,如图中的波形所体现出来的,可以看到在略低于GND电压时,电压不再下降。先说结论,这是因为功率晶体管并联着被称为“续流二极管”的二极管(参见最下方的电路图)。 由于存在这个二极管,因此即使绕组引脚试图将电压降至低于“GND电位 - 二极管的正向电压(Vf)” ,因这个二极管导通而使电压不会降得更低。另外,基于同样的原因,该电压也不会超过“电源电压+Vf”。 顺便提一下,续流二极管的命名中并不像齐纳二极管或发光二极管那样含有某些特性,而是考虑到其续流作用而命名的名称(也许没有名为“续流二极管”的商品)。“续流二极管”也被称为“Freewheeling Diode”、“反激二极管”等。 这种二极管的作用是在关闭晶体管时保护电路中的元器件。上图中标出了使流动着电流的晶体管关闭时的电流流向。在电机的情况下,电流是流过线圈的,因此当通过关闭晶体管以停止电流流动时,线圈中会产生电压(参见图中的公式。这个公式意味着电流的变化会产生电压)。当这种电压很大时,可能会毁坏晶体管。 为了防止这种损坏,会与晶体管并联安装二极管。有了二极管,当被施加低于“Gnd-Vf”或高于“电源电压+Vf”的电压时,电流会流经二极管并被钳制(电压不会过高和过低),因此可以保护晶体管。 图中并没有体现出这种现象,不过在图中标有“PWM”的上方晶体管中也会出现这种现象。对于上方晶体管而言,其下方的二极管会成为电流路径并起到保护作用。 这种本应该开路的绕组引脚电压,因电流流过而“粘附(钳位状态)”到电源电压侧或GND侧的现象,在电机控制电路中经常出现。也有一些利用这种现象的控制方法,所以需要了解这种现象。 在某些情况下,可将其他二极管与各功率晶体管并联配置作为续流二极管使用。因结构上的特点,MOSFET内部有寄生二极管(体二极管),因此在其寄生二极管的特性足以起到续流作用的情况下,通常会直接使用MOSFET中的寄生二极管。所以图中所示的MOSFET不带续流二极管的电路本来是不存在的,为了便于解说,给出了没有续流二极管的电路图。 下面我们来谈谈“ 无刷电机驱动的实际信号波形 ”的第四个要点,也是最后一个项目——“电源电流”。 无刷电机:电源电流 电源电流是在电机运行过程中应该确认的主要电信号。从字面看,电源电流的意思是流过电源的电流。前面已经讲过,在考虑电机的特性时,需要了解流过各相绕组的电流波形。而了解电源电流对于电机控制而言也是非常重要的。(注:这里所说的“电源电流”是指图中所示的从电源经由功率晶体管流入线圈再返回电源的电流。不包括控制IC和晶体管栅极驱动电流)我们先通过图片来具体了解一下电源电流。流过电源的电流会随着功率晶体管的ON/OFF状态而变化。下面对图中a~e的波形状态进行解说。 a:电流从U相上方晶体管流过绕组,从W相下方返回电源。因此,电源电流呈现与U相绕组电流相同的波形。 b:上方晶体管OFF,电流流过U相下方的续流二极管。此时,没有流向电源的电流。 c:当U相PWM区间结束后,流过U相的电流流经二极管的同时逐渐减小,最终变为零。此时的电流并不会出现在电源电流中。 d:这部分与a相同,电流从V相流向W相,并且出现流向电源的电流。 e:这部分与b相同。 如上所述,电源电流的波形随着功率晶体管的ON/OFF逻辑而变化,并呈脉冲状波形(无论流过的电流量是否与绕组电流相同)。 之所以需要了解电源电流,是因为电源电流中含有绕组电流信息,而电机控制中需要用到这些信息。在电机控制中,掌握绕组电流值很重要,但如果想直接检测绕组电流,则需要电流传感器或隔离放大器等特殊电路。相比之下,电源电流方式的优点是可以通过在下图所示位置配置电阻(称为“分流电阻”),并将一侧作为GND电位来检测其两端的电压。 检测值可用于: ・限制电流(控制电流,防止电流过大) ・各种控制(根据绕组电流值推算感应电压、检测电流相位等) 了解电源电流中所包含的信息,有助于更好地控制电机。 至此,我们通过一些篇幅介绍完了在设计图(时序图)中无法体现、通过本系列文章之前的介绍无法理解的、在实际的电机驱动信号波形中包含的五个要点。 来源:techclass.rohm
  • 热度 4
    2024-3-25 17:30
    563 次阅读|
    0 个评论
    目录 无刷电机的特性 无刷电机驱动的实际信号波形 无刷电机的绕组电流 无刷电机感应电压产生的原理 无刷电机的感应电压波形 与无刷电机的感应电压波形息息相关的绕组电流 无刷电机的特性 这里的“特性”是指电机结构(非电路)方面的特性、电路的各种工作和电机输出(转速、转矩)。所要介绍的特性也是在开发无刷电机和讨论相关内容时,大家都知道、并认为是理所当然的事情、经常提到的内容。这些都是电机驱动器的开发人员应该装入大脑知识宝库中的内容,需要认真对待。 实际的电机驱动信号波形也有一些是在设计图(即时序图)中无法体现的。接下来将为您介绍其中无法通过此前的介绍内容理解的一些关键要点。 ①绕组电流与感应电压 ②脉冲状的施加电压 ③绕组引脚OFF期间的波形续流二极管 ④电源电流 请注意,上述标题中的编号对应后文所述要点中的编号。 首先,我们从驱动无刷电机的实际信号中选取了一些在以往的介绍中无法简单讲明白的要点进行介绍。 无刷电机驱动的实际信号波形 通常需要使用示波器来观察电机电气方面的表现。示波器可以监测电路的电压值或电流值。我们用示波器来尝试监测基于下面电路图的电路板上的信号,可以看到在示波器显示屏上出现了下图所示的波形。 这些是电机驱动中常见的信号波形,从上到下依次是U相的高边栅极信号(UH)、低边栅极信号(UL)、U相绕组引脚电压、U相绕组电流和电源电流。这些波形的特点仅靠此前“时序图”中的知识是无法讲明白、无法理解的。在实际运行电机时,会生发出很多疑问,比如“为什么会这样? 下面按顺序列举了几点,这几点应该都是无法通过此前的内容理解的。编号与上图“示波器画面”中显示的编号一致。 ①U电流为什么会呈现这样的波形? ②可以明白UH、UL的信号和波形,但放大后UH却呈脉冲状(ON/OFF反复)。 ③可以明白U电压(U相绕组引脚电压)在UH呈脉冲状的部分随着UH呈脉冲状,在UL导通(ON)的部分为GND电位,但在UH和UL关断(OFF)期间的斜率波形是怎样的?④电源电流中含有哪些信息?该电流也是脉冲状的。 ④电源电流中含有哪些信息?该电流也是脉冲状的。 对于驱动电机和了解电机特性而言,这些都涉及到非常重要的项目,因此在接下来的文章中我们将依次进行介绍。 我们先来了解一下①U电流: “U电流”是绕组电流。要了解该波形,首先需要了解绕组电流和感应电压,因此我们将分以下四项依次进行解说: 无刷电机的绕组电流 无刷电机感应电压产生的原理 无刷电机的感应电压波形 与无刷电机的感应电压波形息息相关的绕组电流 我们已经通过上一篇中的无刷电机驱动实际信号波形解决了第一个疑问——①的U电流。 ①U电流为什么会呈现这样的波形? ②可以明白UH、UL的信号和波形,但放大后UH却呈脉冲状(ON/OFF反复)。 ③可以明白U电压(U相绕组引脚电压)在UH呈脉冲状的部分随着UH呈脉冲状,在UL导通(ON)的部分为GND电位,但在UH和UL关断(OFF)期间的斜率波形是怎样的? ④电源电流中含有哪些信息?该电流也是脉冲状的。 “U电流”是绕组电流。要了解该波形,首先需要了解绕组电流和感应电压,因此我们将分以下四项依次进行解说。 无刷电机的绕组电流 无刷电机感应电压产生的原理 无刷电机的感应电压波形 与无刷电机的感应电压波形息息相关的绕组电流 无刷电机的绕组电流 流过电机绕组的电流是决定绕组磁场大小、乃至转矩大小的重要因素。因此,我们需要充分理解电流是如何决定这些参数的。本文将使用“无刷电机时序图的绘制方法”中给出的120度激励电流波形进行解说。 120度激励的电流将以360度的电角度(1个电周期)切换6次。具体而言,比如在下图中,从U相流向V相的电流体现为“从U相切换为W相”,这样的动作执行6次。 在这样的切换过程中,流动的电流会暂时下降后再恢复。另外,当电流在其他相流动时(例如电流从V相流向W相时的U相),U相电流不会流动,因此电流值会变为零。在负电流侧也是如此。 这就是120度激励的电流波形会呈现图中所示波形的一个原因,不过还有一部分是用这个原因解释不了的。例如,在图中的“U⇒V”范围内,曾经变大的电流在短暂减小后再次变大。为什么会出现这样的波形呢? 为了便于解说,我们先来温习一下线圈电流相关的理论知识。理想的线圈是用电感来表示的,但实际上里面含有有电阻值,因此在电路中可用下图的形式来体现。在这个电路中,当施加了电压时,电流波形应该是如图所示的波形,电流不会短暂减少。 实际上,可以说形成这种增减状态的电流波形的主要原因,正是使无刷电机的控制难度增加的因素之一。其主要原因是线圈的发电。 此前我们也提到过,电机是将电能转换为机械能的一种设备,对于使用永磁体的电机而言,只要利用外力使之旋转就可以将机械能转换为电能,也就是所谓的“发电机”。而且,这种发电现象不仅发生在借助外力旋转时,其实也发生在“自转时”。这种由永磁体和线圈产生的发电电压被称为“感应电动势”、“反电动势”、“感应电压等,有时也被表述为“BEMF(ack electromotive force)”。在这里我们将其称为“感应电压”。 这种感应电压是绕组电流增减的主要原因。 无刷电机感应电压产生的原理 无刷电机是通过转子转动而在线圈(绕组)上产生感应电压的。这种感应电压会对电机的特性产生不同程度的影响,因此与“绕组电流”一样,我们也需要了解这种感应电压。 首先,请回忆一下在学校物理等课程中学过的“电磁感应”。线圈试图阻止磁场(磁通量)发生变化。例如,如下图所示,随着N接近线圈,通过线圈的磁通量会逐渐增加,因此线圈电流沿着产生与之排斥的磁场的方向流动。该电流使得线圈两端产生电压。相反,随着N远离线圈,线圈试图维持磁场的方向,因此在靠近时会产生反向的电流和电压。这种产生电压的现象叫做“电磁感应”。此时的电流被称为“感应电流”,电压除了这里使用的“感应电压”外,还被称为“感应电动势”、“反电动势”等。 *图中磁体磁场的箭头表示磁场大小的变化。实际上线圈内并不会发生像图中那样大小的不均匀。 对于无刷电机而言,与其说磁体靠近或远离,不如说通过线圈的磁通量会因转子的旋转而变化,因而产生与其变化量相应的感应电压(上图右侧)。 在考虑通过线圈(齿槽)的磁通量变化量时,需要知道“在不同的位置转子表面的磁通量大小不同”这一点。有的转子磁通密度基本均匀,也有的转子如下图所示,磁通密度大小在圆周方向呈正弦波状分布。后者这种转子有“正弦波着磁转子”等称呼。在这种着磁的情况下,当转子旋转时,就会发生如上图右侧所示的磁通量变化。 无刷电机的感应电压波形 无刷电机的感应电压是通过线圈的磁通量变化作为电压体现出来了。这里所说的“通过线圈的磁通量”是指进入绕线齿槽的磁通量。 我们先来谈谈这个“进入齿槽的磁通量”。电机磁体和线圈的位置关系如下图所示。也就是说,可以认为每个齿槽中会通过与该齿槽相对的磁体的磁通量。 接下来我们以图中所示的表面磁通量(两种模式)为例,来思考进入齿槽的磁通量。 该图用转子旋转一圈(360度)的细分图来表示图上方的结构图所示的“表面磁通量显示点”的位置对面的转子表面磁通量的大小。另外,还计算了进入齿槽的总磁通量,同样是按照360度计算的。该总磁通量是通过将齿槽相对的磁体的磁通量(图中的“进入齿槽的磁通量范围”)相加计算得出的。也就是说,当转子旋转、位置改变时,磁通量就会发生变化。 例如,在0度的转子位置上,齿槽对面的磁极由于N和S等量,因此齿槽磁通量为零;在90度的位置上,与N的中心相对,因此齿槽磁通量最大。如果按360度计算,那么在正弦波着磁的情况下,齿槽磁通量(总磁通量)也是正弦波的。 而且,这种齿槽磁通量的变化(微分)会成为感应电压(微分时符号要加负号)。也就是可以理解为,相位与对面的表面磁通相差90度。 着磁波形大致可以分为正弦波、矩形波和梯形波。第二个例子是梯形波着磁的情况。顺便提一下,前面提到的矩形波与这里的梯形波的区别在于N和S的切换梯度,但并没有明确的定义。通常把坡度比较平缓的称为“梯形波”。 在梯形波的情况下,进入齿槽的磁通量波形不再是正弦波波形。用微分计算得出的感应电压波形也是图中所示的形状。关于梯形波着磁的感应电压,应该注意的是着磁波形与感应电压波形的特点存在明显不同。例如,梯形波着磁尽管表面磁通的N和S变化部分的斜率比正弦波着磁更陡峭,但其感应电压的正负变化部分(过零点)要比正弦波着磁更平缓。 感应电压波形的不同会影响各种电机特性和控制特性(后续会具体介绍)。然而,由于不同类型电机的感应电压形状也各不相同,而且与着磁波形也不一致(正弦波除外),因此很难把握。作为电机控制的第一步,要有意识地确认要控制的电机的感应电压波形是什么样的波形,这一点非常重要。 前面我们已经对无刷电机实际信号波形中的疑问①“U电流为什么会呈现这样的波形”进行了解释说明。本文将总结说明绕组电流与感应电压之间的关系。 与无刷电机的感应电压波形息息相关的绕组电流 在此前相关解说的基础上,我们再次来探讨一下绕组电流波形。 考虑到无刷电机的线圈会产生感应电压,所以在“无刷电机的绕组电流”所示的等效电路图中增加了感应电压(Vbemf)。这样的话,如果是下图所示的施加电压和感应电压波形,则实际施加于线圈的电压将是图中灰色部分的电压。 从上图中可以看出,实际施加在该绕组线圈上的电压开始时很大,中间变小,然后又变大。由于电压波形(灰色部分)的形状如此,所以绕组电流就是中间凹陷状的波形(与“无刷电机的绕组电流”中所示的波形相同)。 讲到这里,您的脑中是不是浮现出了“如果施加电压和感应电压的大小发生变化,那么绕组电流的大小及其波形也会随之变化”呢?施加电压是控制IC可以控制的电压,而感应电压则会因各种条件而变化。就如此前曾经介绍过的,感应电压是通过线圈的磁通量的变化量,因此关于感应电压的大小(峰值),可以说: ▶磁体的磁力越大感应电压越大 ← 因为磁通量的绝对量增加 ▶线圈的匝数越多感应电压越大 ← 因为发电的线圈量增加 ▶电机的转速越快(越高)感应电压越大 ← 因为磁通量的变化变快。反之则越小 在这里就不再赘述严谨的理论了,需要知道的是,感应电压的大小在这样的条件下会发生变化。 下图给出了当感应电压的大小发生变化时,电流波形的变化示例。当感应电压越大且接近施加电压的大小时,电流中央的凹陷程度将会更明显(下图上侧)。另外,在施加电压的时间点电流波形也会发生变化,该变化与感应电压的大小无关(下图下侧)。 这是以120度激励(矩形)为例的波形变化情况,当然,在其他的激励模式下,绕组电流也会因感应电压的大小、位置以及形状而变化。这会对电机的特性产生各种影响,后续我们会探讨相关的内容。 来源:techclass.rohm
  • 热度 3
    2023-9-7 15:50
    717 次阅读|
    0 个评论
    无刷电机驱动的实际信号波形 ①电流为什么会呈现这样的波形? ▶绕组电流与感应电压 ②可以明白UH、UL的信号和波形,但放大后UH却呈脉冲状(ON/OFF反复)。 ▶脉冲状的施加电压 ③可以明白U电压(U相绕组引脚电压)在UH呈脉冲状的部分随着UH呈脉冲状,在UL导通(ON)的部分为GND电位,但在UH和UL关断(OFF)期间的斜率波形是怎样的? ▶绕组引脚OFF期间的波形 ▶续流二极管 ④电源电流中含有哪些信息?该电流也是脉冲状的。 ▶电源电流 无刷电机:脉冲状的施加电压 实际的电机驱动信号波形也有一些是在设计图(即时序图)中无法体现的。接下来将为您介绍其中无法通过此前的介绍内容理解的一些关键要点。 ■无刷电机:脉冲状的施加电压 在用示波器观察电机的各种电信号时,控制功率晶体管ON/OFF的指令信号有可能是脉冲状的(下图中的栅极信号UH)。对于电机控制而言,这也是非常重要的一点。 在介绍指令信号变为脉冲信号的内容之前,我们先来稍微思考一下电机需要具备的功能。很多应用设备都是通过改变电机的转速和转矩来运行的。电风扇和空调风扇通过改变电机转速来调节风量,电车和电动汽车也是通过改变电机的速度和转矩来工作的。而对电机转速和转矩的控制则是通过调整所施加的电压大小实现的。例如,如果是一台使风扇旋转的电机,那么提高施加电压将会提高转速和转矩。基于这个道理,电机和电机控制需要具备调整所施加电压大小的功能。 调整施加电压主要有两种方法。一种是改变电源电压。这是一种被称为“PAM(Pulse Amplitude Modulation,脉冲幅度调制)控制”的方法,可以改变所施加电压的大小(振幅、高低)。 另一种是通过将所施加的电压变为脉冲来改变平均值,这是一种被称为“PWM(Pulse Width Modulation,脉冲宽度调制)控制”的方法。这种PWM控制方法,通常通过在基准周期(下图中的T)中创建Hi和Lo期间,并调整它们之间的比率,来控制施加的平均电压。这个周期称为“PWM周期”,或者转换成表示频率的值,称为“PWM频率”。 PAM控制需要有调整电源电压的电路。PWM控制只要能充分利用其使功率晶体管ON/OFF的功能即可,近年来,采用PWM控制方法调整施加电压已经成为主流的做法。另外,利用这种控制,可以局部调整电压的大小,而不是像120度激励那样施加均匀电压,因此控制范围更大(例:正弦波激励)。 PWM控制方法中的电压调整率用Duty(占空比)表示。例如,当电源电压为100V、将施加电压调整为30V时,会使用“将Duty设为30%”这样的表述。 在第一张图中,示波器观察到的UH波形是脉冲状的,这表明这个控制IC(电机驱动器、控制器)采用的是PWM控制方式的120度激励。顺便提一下,Duty主要是从外部(比如应用设备的控制器等)输入的控制指令,因此电机驱动器会配备接收该指令的输入引脚。 无刷电机:绕组引脚OFF期间的波形 “绕组引脚OFF期间的波形”是指各相高低边晶体管均关断期间绕组引脚表现出来的波形。这种状态称为“开路状态”、“OPEN状态”、“Hi-Z(高阻态、高阻抗)”等。在这里我们使用“开路”来表示。 在左图中虚线圈出的时间点,U相处于开路状态,V相电压处于施加PWM电压状态,W相处于恒定为Lo状态。此时,V相和W相的绕组引脚电压已经通过开关(晶体管)固定在电源电压或GND中,所以会呈现右图所示的波形。 由于U相处于开路状态,因此出现了图中以中性点为基准的波形。中性点为V相引脚电压与W相引脚电压的分压值。V相和W相的Z・I(电压)值大致相同,但由于V相和W相的感应电压大小不同,因此如图所示,中性点电压呈现有梯度的脉冲状波形。另外,由于该中性点电压上还叠加了U相感应电压,因此U引脚电压呈现图中所示的波形。这是120度激励、高低边晶体管处于OFF状态(开路状态)的相的绕组引脚波形。 在电机控制中,这种“可以看到含有感应电压的波形的现象”很有使用价值。如上所述,OFF期间(开路状态)的绕组引脚电压呈现中性点电压与感应电压叠加后的波形,因此通过测量以中性点为基准的绕组引脚电压,即可测出该相的感应电压。 在前面的“ 无刷电机感应电压产生的原理 ”中,提到过感应电压是由线圈位置与转子(永磁体)的相对位置决定的。这意味着可以根据感应电压来推算转子的位置。 不使用霍尔器件等检测器件,而是利用该原理掌握转子位置的方法被称为“无传感器控制”,该方法已经得以广泛应用(如前所述,在电机控制中,转子位置的检测很重要)。顺便提一下,这种无传感器的传感装置是指霍尔器件等磁极检测器或编码器等转子位置检测器,需要配备用来检测感应电压的传感器。 另外,图中的波形还有一个需要注意的部分。从图中可以看出,出现感应电压的U相引脚电压波形并没有不受控地下降到一定值以下。下面介绍一下这种现象的原因。 无刷电机:续流二极管 在用示波器等设备确认绕组引脚电压时,如图中的波形所体现出来的,可以看到在略低于GND电压时,电压不再下降。先说结论,这是因为功率晶体管并联着被称为“续流二极管”的二极管(参见最下方的电路图)。 由于存在这个二极管,因此即使绕组引脚试图将电压降至低于“GND电位 - 二极管的正向电压(Vf)” ,因这个二极管导通而使电压不会降得更低。另外,基于同样的原因,该电压也不会超过“电源电压+Vf”。 顺便提一下,续流二极管的命名中并不像齐纳二极管或发光二极管那样含有某些特性,而是考虑到其续流作用而命名的名称(也许没有名为“续流二极管”的商品)。“续流二极管”也被称为“Freewheeling Diode”、“反激二极管”等。 这种二极管的作用是在关闭晶体管时保护电路中的元器件。上图中标出了使流动着电流的晶体管关闭时的电流流向。在电机的情况下,电流是流过线圈的,因此当通过关闭晶体管以停止电流流动时,线圈中会产生电压(参见图中的公式。这个公式意味着电流的变化会产生电压)。当这种电压很大时,可能会毁坏晶体管。 为了防止这种损坏,会与晶体管并联安装二极管。有了二极管,当被施加低于“Gnd-Vf”或高于“电源电压+Vf”的电压时,电流会流经二极管并被钳制(电压不会过高和过低),因此可以保护晶体管。 图中并没有体现出这种现象,不过在图中标有“PWM”的上方晶体管中也会出现这种现象。对于上方晶体管而言,其下方的二极管会成为电流路径并起到保护作用。 这种本应该开路的绕组引脚电压,因电流流过而“粘附(钳位状态)”到电源电压侧或GND侧的现象,在电机控制电路中经常出现。也有一些利用这种现象的控制方法,所以需要了解这种现象。 在某些情况下,可将其他二极管与各功率晶体管并联配置作为续流二极管使用。因结构上的特点,MOSFET内部有寄生二极管(体二极管),因此在其寄生二极管的特性足以起到续流作用的情况下,通常会直接使用MOSFET中的寄生二极管。所以图中所示的MOSFET不带续流二极管的电路本来是不存在的,为了便于解说,给出了没有续流二极管的电路图。 无刷电机:电源电流 电源电流是在电机运行过程中应该确认的主要电信号。从字面看,电源电流的意思是流过电源的电流。前面已经讲过,在考虑电机的特性时,需要了解流过各相绕组的电流波形。而了解电源电流对于电机控制而言也是非常重要的。(注:这里所说的“电源电流”是指图中所示的从电源经由功率晶体管流入线圈再返回电源的电流。不包括控制IC和晶体管栅极驱动电流)我们先通过图片来具体了解一下电源电流。流过电源的电流会随着功率晶体管的ON/OFF状态而变化。下面对图中a~e的波形状态进行解说。 a:电流从U相上方晶体管流过绕组,从W相下方返回电源。因此,电源电流呈现与U相绕组电流相同的波形。 b:上方晶体管OFF,电流流过U相下方的续流二极管。此时,没有流向电源的电流。 c:当U相PWM区间结束后,流过U相的电流流经二极管的同时逐渐减小,最终变为零。此时的电流并不会出现在电源电流中。 d:这部分与a相同,电流从V相流向W相,并且出现流向电源的电流。 e:这部分与b相同。 如上所述,电源电流的波形随着功率晶体管的ON/OFF逻辑而变化,并呈脉冲状波形(无论流过的电流量是否与绕组电流相同)。 之所以需要了解电源电流,是因为电源电流中含有绕组电流信息,而电机控制中需要用到这些信息。在电机控制中,掌握绕组电流值很重要,但如果想直接检测绕组电流,则需要电流传感器或隔离放大器等特殊电路。相比之下,电源电流方式的优点是可以通过在下图所示位置配置电阻(称为“分流电阻”),并将一侧作为GND电位来检测其两端的电压。 检测值可用于: ・限制电流(控制电流,防止电流过大) ・各种控制(根据绕组电流值推算感应电压、检测电流相位等) 来源:techclass.rohm
相关资源