无刷直流电机.doc

1、无刷直流电机无刷直流电机实物图无刷直流电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(P)影响： n=60* f / P。在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。直流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器) ，控制定子旋转磁场的频率 并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说直流无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子 维持一定的转速。硬 件 结 构直 流 无 刷 驱 动 器 包 括 电 源 部 及 控 制 部 如 图 (1) ： 电 源 部 提 供 三 相 电 源 给 电

2、 机 ，控 制 部 则 依 需 求 转 换 输 入 电 源 频 率 。电 源 部 可 以 直 接 以 直 流 电 输 入 (一 般 为 24V)或 以 交 流 电 输 入 (110V/220 V)， 如 果输 入 是 交 流 电 就 得 先 经 转 换 器 (converter)转 成 直 流 。 不 论 是 直 流 电 输 入 或 交 流 电 输 入要 转 入 电 机 线 圈 前 须 先 将 直 流 电 压 由 换 流 器 (inverter)转 成 3 相 电 压 来 驱 动 电 机 。 换流 器 (inverter)一 般 由 6 个 功 率 晶 体 管 (Q1 Q6)分 为 上 臂 (

3、Q1、 Q3、 Q5)/下 臂 (Q2、 Q4、 Q6)连 接 电 机 作 为 控 制 流 经 电 机 线 圈 的 开 关 。 控 制 部 则 提 供 PWM(脉 冲 宽度 调 制 )决 定 功 率 晶 体 管 开 关 频 度 及 换 流 器 (inverter)换 相 的 时 机 。 直 流 无 刷 电 机 一 般希 望 使 用 在 当 负 载 变 动 时 速 度 可 以 稳 定 于 设 定 值 而 不 会 变 动 太 大 的 速 度 控 制 ， 所 以 电 机内 部 装 有 能 感 应 磁 场 的 霍 尔 传 感 器 (hall- sensor)， 作 为 速 度 之 闭 回 路 控 制

4、， 同 时 也作 为 相 序 控 制 的 依 据 。 但 这 只 是 用 来 作 为 速 度 控 制 并 不 能 拿 来 作 为 定 位 控 制 。图 一 ： 直 流 无 刷 驱 动 器 包 括 电 源 部 及 控 制 部直 流 无 刷 电 机 的 工 作 原 理直 流 无 刷 电 机 的 控 制 原 理要 让 电 机 转 动 起 来 ， 首 先 控 制 部 就 必 须 根 据 hall-sensor 感 应 到 的 电 机 转 子 目 前所 在 位 置 ， 然 后 依 照 定 子 绕 线 决 定 开 启 (或 关 闭 )换 流 器 (inverter)中 功 率 晶 体 管 的 顺 序 ，如

5、 下 （ 图 二 ） inverter 中 之 AH、 BH、 CH(这 些 称 为 上 臂 功 率 晶 体 管 )及AL、 BL、 CL(这 些 称 为 下 臂 功 率 晶 体 管 )， 使 电 流 依 序 流 经 电 机 线 圈 产 生 顺 向 (或 逆 向 )旋转 磁 场 ， 并 与 转 子 的 磁 铁 相 互 作 用 ， 如 此 就 能 使 电 机 顺 时 /逆 时 转 动 。 当 电 机 转 子 转动 到 hall-sensor 感 应 出 另 一 组 信 号 的 位 置 时 ， 控 制 部 又 再 开 启 下 一 组 功 率 晶 体 管 ，如 此 循 环 电 机 就 可 以 以 同

6、 一 方 向 继 续 转 动 直 到 控 制 部 决 定 要 电 机 转 子 停 止 则 关 闭 功 率晶 体 管 (或 只 开 下 臂 功 率 晶 体 管 )； 要 电 机 转 子 反 向 则 功 率 晶 体 管 开 启 顺 序 相 反 。基 本 上 功 率 晶 体 管 的 开 法 可 举 例 如 下 ：AH、 BL 一 组 AH、 CL 一 组 BH、 CL 一 组 BH、 AL 一 组 CH、 AL 一 组 CH、 BL 一 组但 绝 不 能 开 成 AH、 AL 或 BH、 BL 或 CH、 CL。 此 外 因 为 电 子 零 件 总 有 开 关 的 响应 时 间 ， 所 以 功 率

7、晶 体 管 在 关 与 开 的 交 错 时 间 要 将 零 件 的 响 应 时 间 考 虑 进 去 ， 否 则 当 上臂 (或 下 臂 )尚 未 完 全 关 闭 ， 下 臂 (或 上 臂 )就 已 开 启 ， 结 果 就 造 成 上 、 下 臂 短 路 而 使 功 率晶 体 管 烧 毁 。图 二当 电 机 转 动 起 来 ， 控 制 部 会 再 根 据 驱 动 器 设 定 的 速 度 及 加 /减 速 率 所 组 成 的 命 令 (Command)与 hall-sensor 信 号 变 化 的 速 度 加 以 比 对 (或 由 软 件 运 算 )再 来 决 定 由 下 一组 (AH、 BL 或

8、 AH、 CL 或 BH、 CL 或 )开 关 导 通 ， 以 及 导 通 时 间 长 短 。 速 度 不 够则 开 长 ， 速 度 过 头 则 减 短 ， 此 部 份 工 作 就 由 PWM 来 完 成 。 PWM 是 决 定 电 机 转 速 快或 慢 的 方 式 ， 如 何 产 生 这 样 的 PWM 才 是 要 达 到 较 精 准 速 度 控 制 的 核 心 。 高 转 速 的 速度 控 制 必 须 考 虑 到 系 统 的 CLOCK 分 辨 率 是 否 足 以 掌 握 处 理 软 件 指 令 的 时 间 ， 另 外 对于 hall-sensor 信 号 变 化 的 资 料 存 取 方

9、式 也 影 响 到 处 理 器 效 能 与 判 定 正 确 性 、 实 时 性 。至 于 低 转 速 的 速 度 控 制 尤 其 是 低 速 起 动 则 因 为 回 传 的 hall-sensor 信 号 变 化 变 得 更 慢 ，怎 样 撷 取 信 号 方 式 、 处 理 时 机 以 及 根 据 电 机 特 性 适 当 配 置 控 制 参 数 值 就 显 得 非 常 重 要 。 或 者 速 度 回 传 改 变 以 encoder 变 化 为 参 考 ， 使 信 号 分 辨 率 增 加 以 期 得 到 更 佳 的 控制 。 电 机 能 够 运 转 顺 畅 而 且 响 应 良 好 ， P.I.D

10、.控 制 的 恰 当 与 否 也 无 法 忽 视 。 之 前 提 到直 流 无 刷 电 机 是 闭 回 路 控 制 ， 因 此 回 授 信 号 就 等 于 是 告 诉 控 制 部 现 在 电 机 转 速 距 离 目 标速 度 还 差 多 少 ， 这 就 是 误 差 (Error)。 知 道 了 误 差 自 然 就 要 补 偿 ， 方 式 有 传 统 的 工 程 控制 如 P.I.D.控 制 。 但 控 制 的 状 态 及 环 境 其 实 是 复 杂 多 变 的 ， 若 要 控 制 的 坚 固 耐 用 则 要 考虑 的 因 素 恐 怕 不 是 传 统 的 工 程 控 制 能 完 全 掌 握 ，

11、所 以 模 糊 控 制 、 专 家 系 统 及 神 经 网 络 也将 被 纳 入 成 为 智 能 型 P.I.D.控 制 的 重 要 理 论 。直 流 无 刷 电 机 的 工 作 原 理 (附 图 ）P.I.D 控 制 简 介一 般 P.I.D 控 制 如 下(dutycycle)=(dutycycle)p + (dutycycle)i + (dutycycle)dP.控 制 (比 例 控 制 )： 输 出 与 输 入 误 差 信 号 成 正 比 关 系 ， 即 将 误 差 固 定 比 例 修 正 ，但 系 统 会 有 稳 态 误 差 。I.控 制 (积 分 控 制 )： 当 系 统 进 入

12、稳 态 有 稳 态 误 差 时 ， 将 误 差 取 时 间 的 积 分 ， 即 便 误差 很 小 也 能 随 时 间 增 加 而 加 大 ， 使 稳 态 误 差 减 小 直 到 为 零 。D.控 制 (微 分 控 制 )： 当 系 统 在 克 服 误 差 时 ， 其 变 化 总 是 落 后 于 误 差 变 化 ， 表 示 系 统存 在 较 大 惯 性 组 件 或 (且 )有 滞 后 组 件 。 微 分 即 是 预 测 误 差 变 化 的 趋 势 以 便 提 前 作 用 避 免被 控 量 严 重 冲 过 头 。电 机 驱 动 器 的 保 护 措 施对 于 驱 动 器 还 要 有 保 护 措 施

13、， 当 负 载 过 大 或 不 当 使 用 时 会 造 成 大 电 流 而 将 功 率 晶 体管 烧 毁 。 为 了 保 护 因 电 流 超 过 规 格 而 破 坏 驱 动 器 ， 一 般 会 以 加 大 功 率 晶 体 管 耐 电 流 或 加电 流 sensor 作 为 保 护 。 其 次 当 电 机 负 载 不 小 的 时 候 ， 在 停 止 转 动 时 由 电 机 端 回 送 至 驱动 器 的 能 量 及 过 电 压 都 将 危 及 驱 动 器 ， 这 可 配 合 过 电 压 保 护 电 路 加 上 回 生 能 量 消 散 电 路来 防 治 。 其 它 尚 有 hall-sensor 正

14、 常 与 否 判 定 也 会 影 响 PWM 控 制 的 正 确 性 ， 这 可 由控 制 部 判 断 并 适 时 警 告 即 可 。疑 难 杂 症 处 理 案 例DC 无 刷 电 机 系 列 控 制 疑 难 杂 症 处 理 案 例欲 以 电 流 值 的 大 小 来 判 断 目 前 电 机 的 负 载 状 况 是 否 有 过 载 的 迹 象 ， 该 如 何 测 量 ?将 电 源 线 的 其 中 一 条 拔 起 后 ， 将 电 表 （ 请 先 调 至 安 培 档 ） 的 一 端 接 至 驱 动 器 的 电 源CONNECTOR 其 中 一 接 脚 ， 另 一 端 则 接 至 电 源 插 座 的 另 一 接 脚 ， 如 此 即 可 测 量 出 在现 阶 段 的 负 载 下 所 必 须 耗 费 的 电 流 值 ， 之 后 再 依 此 电 流 值 来 对 照 电 机 的 电 流 /扭 力 对照 表 ， 如 此 即 可 得 知 目 前 的 负 载 状 况 是 正 常 或 是 否 有 过 载 的 情 形 发 生 。