使用無(wú)刷直流電機(jī)換向的最有效方法
無(wú)刷直流電機(jī)，或簡(jiǎn)稱(chēng)無(wú)刷直流電機(jī)，是由直流電源通過(guò)外部電機(jī)控制器供電的電子換向電機(jī)。與它們的有刷電機(jī)不同，無(wú)刷直流電機(jī)依靠外部控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)換向。簡(jiǎn)而言之，換向是切換電機(jī)相位中的電流以產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。有刷電機(jī)具有物理電刷，每次旋轉(zhuǎn)兩次可實(shí)現(xiàn)此過(guò)程，而無(wú)刷直流電機(jī)則沒(méi)有，因此得名。由于它們的設(shè)計(jì)性質(zhì)，它們可以有任意數(shù)量的極對(duì)進(jìn)行換向。
與傳統(tǒng)有刷電機(jī)相比，無(wú)刷直流電機(jī)具有顯著優(yōu)勢(shì)。它們通?？商岣?5-20%的效率，需要更少的維護(hù)，不會(huì)造成電刷物理磨損，并在所有額定速度下提供平坦的扭矩曲線(xiàn)。雖然無(wú)刷直流電機(jī)不是一項(xiàng)新發(fā)明，但由于需要復(fù)雜的控制和反饋電路，因此廣泛采用的速度很慢。然而，最近半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步、更好的永磁體以及對(duì)更高效率的不斷增長(zhǎng)的需求導(dǎo)致無(wú)刷直流電機(jī)在許多應(yīng)用中取代了有刷電機(jī)。無(wú)刷直流電機(jī)已在許多行業(yè)找到了自己的位置，包括白色家電、汽車(chē)、航空航天、消費(fèi)品、醫(yī)療、工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備和儀器儀表。
一、無(wú)刷直流電機(jī)換向基礎(chǔ)知識(shí)：
在深入研究無(wú)刷直流電機(jī)的反饋選項(xiàng)之前，了解為什么需要它們很重要。無(wú)刷直流電機(jī)有單相、兩相和三相配置；最常見(jiàn)的配置是三相。相數(shù)與定子上的繞組數(shù)相匹配，而轉(zhuǎn)子磁極可以是任意對(duì)數(shù)，具體取決于應(yīng)用。由于無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子受到旋轉(zhuǎn)的定子磁極的影響，因此必須跟蹤定子磁極位置才能有效地驅(qū)動(dòng)電機(jī)的3個(gè)相位。因此，電機(jī)控制器用于在3個(gè)電機(jī)相位上生成6步換向模式。這6個(gè)步驟或換相階段移動(dòng)一個(gè)電磁場(chǎng)，使轉(zhuǎn)子的永磁體移動(dòng)電機(jī)軸。
使用此標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)換向序列，電機(jī)控制器可以使用高頻脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)有效降低電機(jī)觀察到的平均電壓，從而改變電機(jī)速度。即使直流電壓源遠(yuǎn)大于電機(jī)的額定電壓，這種設(shè)置也允許將一個(gè)電壓源用于各種電機(jī)，從而在設(shè)計(jì)中提供了很大的靈活性。為了使該系統(tǒng)保持其相對(duì)于有刷技術(shù)的效率優(yōu)勢(shì)，電機(jī)和控制器之間需要一個(gè)非常緊密的控制回路。
這就是反饋技術(shù)變得重要的地方；為了讓控制器保持對(duì)電機(jī)的精確控制，它必須始終知道定子相對(duì)于轉(zhuǎn)子的準(zhǔn)確位置。預(yù)期和實(shí)際位置的任何偏差或相移都可能導(dǎo)致不良行為和性能下降。有許多方法可以為無(wú)刷直流電機(jī)的換向?qū)崿F(xiàn)這種反饋，但最常見(jiàn)的是霍爾效應(yīng)傳感器、編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器。此外，一些應(yīng)用依賴(lài)于無(wú)傳感器換向技術(shù)。
二、無(wú)刷直流電機(jī)的位置反饋：
自無(wú)刷電機(jī)問(wèn)世以來(lái)，霍爾效應(yīng)傳感器一直是換向反饋的主力軍。對(duì)于三相控制，只需要3個(gè)傳感器，并且單位成本非常低，從純BOM成本的角度來(lái)看，它們很容易成為實(shí)現(xiàn)換向的最經(jīng)濟(jì)的選擇。霍爾傳感器嵌入電機(jī)的定子中以檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，用于切換三相橋中的晶體管以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。三個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器輸出通常稱(chēng)為U、V和W通道。雖然霍爾傳感器是用于換向無(wú)刷直流電機(jī)的有效解決方案，但它們只能滿(mǎn)足無(wú)刷直流系統(tǒng)一半的需求。
霍爾效應(yīng)傳感器將允許控制器驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)，但不幸的是它的控制僅限于速度和方向。對(duì)于三相電機(jī)，霍爾效應(yīng)傳感器只能提供每個(gè)電周期內(nèi)的角度位置。隨著極對(duì)數(shù)的增加，每次機(jī)械旋轉(zhuǎn)的電周期數(shù)增加，并且隨著無(wú)刷直流的使用變得越來(lái)越普遍，因此增加了對(duì)精確位置感測(cè)的需求。為確保穩(wěn)健且完整的解決方案，無(wú)刷直流系統(tǒng)應(yīng)提供實(shí)時(shí)位置信息，以便控制器不僅可以跟蹤速度和方向，還可以跟蹤行進(jìn)的距離和角位置。
解決對(duì)更嚴(yán)格位置信息的需求的最常見(jiàn)解決方案是添加一個(gè)增量旋轉(zhuǎn)編碼器到無(wú)刷直流電機(jī)。在同一控制反饋回路系統(tǒng)中，除了霍爾效應(yīng)傳感器之外，通常還會(huì)添加增量編碼器。霍爾傳感器用于電機(jī)換向，編碼器用于以更高的精度跟蹤位置、旋轉(zhuǎn)、速度和方向。由于霍爾傳感器僅在每次霍爾狀態(tài)變化時(shí)提供新的位置信息，因此它們的精度僅限于每次電氣旋轉(zhuǎn)的六個(gè)狀態(tài)；對(duì)于雙極電機(jī)，這導(dǎo)致每次機(jī)械旋轉(zhuǎn)只有六個(gè)狀態(tài)。與提供數(shù)千PPR（每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)）分辨率的增量編碼器相比，增量編碼器可以解碼為四倍多的狀態(tài)變化，很明顯為什么需要兩者。
然而，由于電機(jī)制造商不得不將霍爾效應(yīng)傳感器和增量編碼器都安裝到他們的電機(jī)上，許多編碼器制造商已經(jīng)轉(zhuǎn)向提供具有換向輸出的增量編碼器，通常簡(jiǎn)稱(chēng)為換向編碼器.這些編碼器旨在提供其傳統(tǒng)的正交A和B通道（有時(shí)是每轉(zhuǎn)一次的索引脈沖通道Z）以及大多數(shù)無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器所需的標(biāo)準(zhǔn)U、V和W換向信號(hào)。這為電機(jī)設(shè)計(jì)人員節(jié)省了安裝霍爾效應(yīng)傳感器和增量編碼器的不必要步驟。
盡管這種方法的優(yōu)勢(shì)非常引人注目，但這種方法也有很大的折衷。如前所述，要使無(wú)刷直流電機(jī)高效換向，必須知道轉(zhuǎn)子和定子的位置。這意味著必須格外小心，以確保換向編碼器的U/V/W通道與無(wú)刷直流電機(jī)的相位正確對(duì)齊。
對(duì)于光盤(pán)上具有固定圖案的光學(xué)編碼器和必須手動(dòng)放置的霍爾效應(yīng)傳感器，實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)正確對(duì)準(zhǔn)的過(guò)程既反復(fù)又耗時(shí)。該方法涉及附加設(shè)備，包括第二個(gè)電機(jī)和示波器。要對(duì)準(zhǔn)光學(xué)編碼器或一組霍爾效應(yīng)傳感器，必須用第二個(gè)電機(jī)反向驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)；然后，當(dāng)?shù)诙€(gè)電機(jī)以恒定速度旋轉(zhuǎn)電機(jī)時(shí)，使用示波器監(jiān)測(cè)三個(gè)電機(jī)相的反電動(dòng)勢(shì)（也稱(chēng)為反電動(dòng)勢(shì)或反電動(dòng)勢(shì)）。
必須根據(jù)示波器上顯示的反電動(dòng)勢(shì)波形檢查編碼器或霍爾傳感器產(chǎn)生的U/V/W信號(hào)。如果U/V/W通道與反電動(dòng)勢(shì)波形之間存在任何差異，則必須進(jìn)行調(diào)整。每個(gè)電機(jī)的這個(gè)過(guò)程可能需要超過(guò)20分鐘，需要大量的實(shí)驗(yàn)室設(shè)施，并且是使用無(wú)刷直流電機(jī)時(shí)令人沮喪的主要原因。
盡管光學(xué)換向編碼器減輕了僅安裝一種技術(shù)的負(fù)擔(dān)，但實(shí)施光學(xué)換向編碼器的缺點(diǎn)是缺乏通用性。由于光學(xué)編碼器在其光盤(pán)上使用固定圖案，因此在訂購(gòu)前必須了解電機(jī)極數(shù)、正交分辨率和電機(jī)軸尺寸。
