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无感无刷直流电机驱动技术详解
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更新于2024-07-25
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"无感无刷直流电机驱动全攻略" 这篇文档详细介绍了无感无刷直流电机及其驱动电调的设计,旨在帮助初学者理解和掌握这一领域的核心知识。 首先,文档阐述了无刷直流电机的基础知识,包括三个基本定则:左手定则、右手定则(安培定则一)和右手螺旋定则(安培定则二),这些是理解电机工作原理的关键。接着,详细解析了内转子和外转子无刷直流电机的工作原理,通过磁回路分析和电机结构的探讨,使读者能够深入理解电机内部的工作机制。 在转矩理论分析部分,文档介绍了传统的无刷电机绕组结构和转子磁场的分布,以及转子受力分析。这部分内容有助于理解电机的扭矩产生和调速原理。换相与调速章节中,讲解了换相的基本原理,并以新西达2212电机为例进行了具体分析,同时讨论了调速的方法。 在无感无刷电调的硬件设计部分,文档详述了电池电压监测电路、换相控制电路(特别是六臂全桥驱动电路)、功率场效应管的选择、电流检测电路和反电势过零检测电路。这些电路设计是电调功能实现的关键。此外,还提供了制作自定义电调线路板的指导。 在软件设计方面,文档涵盖了电流检测、定时器延时与PWM信号的产生,包括定时器初始化、中断服务程序和延时函数的编写。过零事件检测与电机换相的代码分析,启动算法、MOSFET自检,以及电机演奏音乐等功能的实现,展示了电调软件设计的复杂性和趣味性。最后,提到了通信模块,如PPM解码、TWI总线通信和串口通信,这些都是实现遥控或智能控制的重要组成部分。 这份资源提供了一个全面的无感无刷直流电机驱动电调的设计教程,从理论到实践,涵盖了从基础概念到高级应用的各个层面,对于学习和研究无刷电机驱动技术的读者来说极具价值。
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无感无刷直流电机之电调设计全攻略 V0.01
(e) CA 相通电情形
(f) CB 相通电情形
图 1-15 XXD2212 电机两两通电的 6 种情形(续)
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无感无刷直流电机之电调设计全攻略 V0.01
1.4 无刷直流电机转矩的理论分析
我们再回到最简单的三相二极内转子电机。以上的磁回路分析方法对于一般的感性认识
来讲是足够了,但如果你翻阅的无刷电机的教材书够多的话,你会发现,几乎没有哪本教材
是采用上面这种结构来说明无刷电机的工作原理的,这些教材中用的都是类似图 1-17 所示
的结构来研究无刷电机的。究其原因,是因为上两小节示例的那种电机绕组结构,从严格上
来说,并不是传统的经典的工业用无刷直流电机的结构,而是属于一种叫做“开关磁阻电机”
(Switched Reluctance Motor)结构的变种(原始的开关磁阻电机的转子上是没有永磁体的)。
由于它的控制方式很类似于无刷直流电机的 6 步二二导通控制方式,所以直接把它当无刷直
流电机来用也没问题。真正的工业用无刷直流电机的定子绕组实物图见图 1-18。顺便说一
句,笔者遍查还施水阁中关于无刷电机的典藏古今中外约十来本(80 年代的书应该算古了
吧,呵呵),愣是没找到专门分析上两节那种电机结构和原理的著作,憾甚。如果哪位高人
知道有相关的文献,还请指点一二,不胜感激。
1. 传统的无刷电机绕组结构
其线圈形状见图 1-16,线圈包围整个转子。电机三相绕组示意图见图 1-17。
图 1-16 磁场中的线圈
图 1-17 电机绕组和转子抽象示意图
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无感无刷直流电机之电调设计全攻略 V0.01
图 1-17 中为简略示意起见,每相只画出了一个线圈,其实每相应该有 N 匝线圈。其绕
组联结方式为:A’ 、B’、C’端通过星形联结在一起,A、B、C 为电机的三根引出线。其实
物外形见图 1-18。(注意辨别图 1-18 和图 1-12 的绕组形式的区别)
图 1-18 无刷直流电机定子绕组结构(摘自
松晓的blog)
2. 转子磁场的分布情况
绕组形式变成这个样子后,就可以用“左手定则”来分析啦。不过在此之前,还要搞清
楚一件事情,就是在这种绕组结构下,磁感应强度 B 的分布情况。
关于这个问题,在夏长亮的《无刷直流电机控制系统》一书中,开门见山地就讲清楚了,
在此小赞一下,呵呵。现将这段论述摘抄如下:(不要问偶要电子书,没有,本书是从市立
图书馆借的,各位想省点银子的也可以去图书馆借:)
“目前,国内外对无刷直流电机(Brushless DC motor, BLDCM)定义一般有两种:一
种定义认为只有梯形波/方波无刷直流电机才可以被称为无刷直流电机,而正弦波无刷电机
则被称为永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor, PMSM);另一种定义则认为
梯形波/方波无刷电机和正弦波无刷电机都是无刷直流电机。迄今为止,还没有一个公认的
统一标准对无刷直流电机进行准确的分类和定义。本书将采用第一种定义,把具有串励直流
电机启动特性和并励直流电机调速特性的梯形波/方波无刷直流电机称为无刷直流电机。”
好了,现在来解释一下上面说的“梯形波/方波”是什么意思。图 1-19 展示了内转子磁
极的磁感应强度 B 的分布情况。我们预定义磁感应强度方向向外为正,从图中可以看出,
在 0°的时候,处于正反方向交界处,磁感应强度为零,然后开始线性增加,在 A 点时达到
最大,然后一直保持恒定值不变,直到 B 点开始下降,到 180°的时候下降到零。然后开始
负向增长,在 C 点处达到负值最大,然后保持恒定负值不变,直到 D 点强度开始减弱,到
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无感无刷直流电机之电调设计全攻略 V0.01
0°时又回到零。至于 A 点到底在几度的位置,不同的电机不一样。如果 A 非常接近 0°的
位置,上升和下降直线就会非常陡峭,“梯形波”就变成了“方波”。根据右手定则 E=BLV
的公式,在匀速转动下,各绕组产生的反电动势波形也呈梯形波/方波。
图 1-19 转子磁感应强度分布情况
与此类似,上文提到的另一种“正弦波”电机就是一种磁感应强度呈正弦波图形分布的
直流无刷电机,也叫永磁同步电机。这种电机的绕组结构和我们的梯形波电机的绕组结构不
太相同,进而驱动方式也不太相同,需要用到矢量分析法,由于本文只关注于梯形波的无刷
直流电机,故对这种正弦波电机就不展开讨论了。需要研究的朋友可以查看专门文献。
3. 转子的受力分析
同样,我们仿照前面的做法,画出 6 种通电方式情形下,转子的受力情况,这里只用“左
手定则”作一个定性分析。至于定量的计算,我们放到第三章的“启动算法”一小节中讨论。
在下面的图 1-20 中,除了画出了 6 种通电情形外,还画出了 6 个中间过程,这是为了
更清楚地说明问题,同时也与下一节将要讨论的换相内容作一个衔接。
在图 1-20(a)中,AB 相通电,电流处于转子产生的磁场内,根据左手定则,我们判断线
圈 AA’中的上半部导线 A 受到一个顺时针方向的电磁力,而 AA’的下半部导线 A’ 也受到一
个顺时针方向的电磁力。由于线圈绕组在定子上,定子是固定不动的,故根据作用力与反作
用力,定子绕组 AA’会施加给转子一个逆时针方向的反作用力,转子在这个力的作用下,就
转起来了。同理,与 AA’的情况类似,BB’也会对转子产生一个逆时针的反作用力。
当转子逆时针转过 60°后,到达图 1-20(b)的位置,这时线圈 BB’已经到达转子磁极的
边缘位置了,再转下去就要产生反方向的力了,所以这时就要换相,换成 AC 相通电,见图
1-20(c)。这样,每过 60°换相通电,转子就可以一直转下去了。
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无感无刷直流电机之电调设计全攻略 V0.01
(a) AB 相通电 (b) 转过 60° (c) AC相通电
(d) 转过 60° (e) BC 相通电 (f) 转过 60°
(g) BA相通电 (h) 转过 60° (i) CA相通电
(j) 转过 60° (k) CB相通电 (l) 转过 60°
图 1-20 转子位置与换相的关系(参考自《电动机的单片机控制》王晓明著)
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