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有刷直流电机的结构

作者: 深圳hth官网登录发表时间:2022-05-18 10:30:11浏览量:41

结构 在四轴飞行器或者一些航模上,都能看到这种类型的直流无刷电机,它通常有三条线,U,V,W,当然航模上还需要配置一个电调(ESC)——作为电机的驱动器。 这里的电调往往有两种驱动方式,六步方波,或...

结构

 

在四轴飞行器或者一些航模上,都能看到这种类型的直流无刷电机,它通常有三条线,UVW,当然航模上还需要配置一个电调(ESC)——作为电机的驱动器。

 

这里的电调往往有两种驱动方式,六步方波,或者FOC驱动,下面主要对六步方波驱动方式进行分析。

 

无刷直流电机

 

直流无刷由定子和转子构成,是电枢绕组,转子是永磁体;两对极电机,分别是U1V1W1U2V2W2

 

2对极BLDC内部结构

 

电机的定子是电枢绕组在通过交变电流的时候,会产生磁场,电枢的材料是铁芯,可以导磁,这样可以增大磁场的强度,磁场的方向取决于电流的方向,具体可以根据右手螺旋定则来判断。

 

右手螺旋定则

换相原理

 

这里我们简单介绍一下转子旋转的过程,即无刷直流电机的换相原理:

 

首先我们对电枢绕组施加适当大小的电流,线圈将产生一个磁场,该磁场将吸引转子的永磁体;

 

如果我们一个接一个地激活每个线圈,这样可以产生一个旋转的磁场,由于永磁体和电磁体之间的力相互作用,转子将在旋转的磁场作用下继续旋转。

 

旋转磁场

 

但是上面提到,这里是两对极的直流无刷电机,那么为了提高电机的效率,我们可以将两个相反的线圈组成一个绕组,这样会产生与转子极相反的磁极,从而获得双倍的磁场的力。

 

共同通电

 

初步了解了内部的结构和通电机制之后,我们就需要产生相应的驱动信号去产生旋转的磁场,带动转子转动。

 

通常我们会在MCU中会固化一段代码,这段代码可以产生驱动信号;然后驱动信号通过IPM间接驱动六个功率开关元器件(这里可以是MOSFET),从而产生旋转的磁场。

 

电机模型可以等效成三个星型连接的电感,所以我们需要做的工作就是如何去产生驱动信号。

 

这个驱动信号又符合什么样的规律呢?下面我们进一步介绍驱动信号。

 

两两通电:如果我们将 A 相上拉至高电平,然后在另一侧将 B 相接地,则电流将从 VCC 流过A 相,中性点和 B 相,最终流向地。

 

因此,只需一个电流,我们就可以产生了四个不同的磁极,从而导致转子移动。

 

两两通电的情况

 

其实电机内部一般可以等效成一个星型的连接方式,ABC三相的中性点连接在一起,外部通过MOSFET或者IGBT组成功率开关元器件,进行控制,所以这里也可以说明无刷直流电机,通常有UVW三条线引出来。

首先规定一下我们的驱动电路的相应符号:

 

使用SW1SW2作为一个上下管驱动U,或者是a

使用SW3SW4作为一个上下管驱动V,或者是b

使用SW5SW6作为一个上下管驱动W,或者是c

 

然后我们在这里规定:上管打开标记为+,下管打开标记为-,上下管都不开标记为0

 

最终让转子朝一个方向旋转的驱动时序应该是这样的:

 

a+b-c0

a+b0c-

a0b+c-

a-b+c0

a-b0c+

a0b-c+

 

六步方波

 

驱动的六步方波时序正确之后,我们基本可以实现对无刷直流电机的开环控制驱动了;

 

具体的驱动时序可以简单画一下,对于每一相而言都需要六步的驱动时序,然后两相之间的相位相差120°。

 

例如A相的六步相序需要比B相超前120°,B相需要比C相超前120°,

 

驱动信号时序

 

下面是我实际过程中测试的上管的方波驱动信号,可以和A相,B相,C相的信号对应起来。

 

实测波形

闭环控制

 

实现开环运行之后,就要进行闭环控制了,首先有一点需要说明的是,前面的六步PWM时序,并没有根据转子的实际位置进行磁场的切换,所以可能出现的情况,就是失步,这个有点类似步进电机。

 

结论就是实际磁场旋转的速度可能远快于转子旋转的速度,导致磁场的旋转速度和转子不同步,所以就造成了失步。

 

如果这里引入转子的位置反馈量,就可以完美的解决这个问题,所以通常会加入霍尔传感器来检测实际的转子位置。

 

无刷直流电机内的霍尔传感器

 

转子处于不同位置的时候霍尔传感器会产生相应的信号,并且还可以根据霍尔信号计算转速,作为后面速度闭环的反馈值。

 

霍尔信号

 

一般来说增加了霍尔传感器,在成本和电机的结构复杂程度上都会大大增加,所以,这里可以通过检测每一相的反电动势(Back EMF),来进行位置的估算以及速度的计算。

 

反电动势

 

无感方波的驱动方式难点在于启动和过零点的检测上,通常启动可以使用三段式启动的方式,即转子预定位,开环强拖,开环切闭环,这三个过程。

 

另外还可以进行高频注入的方式确定转子的初始位置,然后直接进行启动,在过零点的检测和换相存在一定的难度。

 

结论

 

本文简单介绍了有刷直流电机和无刷直流电机的结构和原理,以及各自的优势。进一步介绍了无刷直流电机的六步方波驱动原理,简单提及了闭环控制中一些注意点。

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