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电(dian)(dian)机驱动(dong)(dong)器文化崛起刚(gang)刚(gang)几年,我(wo)(wo)(wo)(wo)很自然地(di)认为(wei)大部(bu)分(fen)(fen)人都(dou)不熟悉机电(dian)(dian)控(kong)制(zhi)系统。为(wei)此我(wo)(wo)(wo)(wo)召(zhao)开了(le)几次座谈会,这真是有(you)点费(fei)劲的(de)(de)(de)(de)事情。但是我(wo)(wo)(wo)(wo)认为(wei)我(wo)(wo)(wo)(wo)有(you)义(yi)务就这个(ge)话题培训其他人,因为(wei)我(wo)(wo)(wo)(wo)很少(shao)看到(dao)高(gao)校课程除(chu)了(le)简单介绍控(kong)制(zhi)理论(lun)之外再做其它讲(jiang)解。我(wo)(wo)(wo)(wo)的(de)(de)(de)(de)目标是深入浅(qian)出地(di)介绍无刷直流电(dian)(dian)机。所(suo)有(you)电(dian)(dian)机都(dou)有(you)个(ge)概念叫做“换向”,说的(de)(de)(de)(de)是切(qie)换电(dian)(dian)流(用某种方(fang)式)以(yi)便移(yi)动(dong)(dong)物(wu)理转(zhuan)轴的(de)(de)(de)(de)过程。当(dang)电(dian)(dian)流流经线圈时(shi)转(zhuan)轴就会移(yi)动(dong)(dong),从而(er)(er)产生(sheng)磁场(一般(ban)来(lai)说,是由永磁体产生(sheng)的(de)(de)(de)(de)),这个(ge)磁场与原有(you)磁场可(ke)能相(xiang)斥,可(ke)能相(xiang)吸。该力(li)导致(zhi)转(zhuan)子(电(dian)(dian)机的(de)(de)(de)(de)运动(dong)(dong)部(bu)分(fen)(fen))相(xiang)对于定子(电(dian)(dian)机的(de)(de)(de)(de)静止部(bu)分(fen)(fen))而(er)(er)言发生(sheng)运动(dong)(dong)。
磁(ci)体(ti)(ti)(ti)是(shi)换(huan)向(xiang)的一(yi)(yi)个(ge)(ge)很好的类比。当(dang)把两个(ge)(ge)磁(ci)体(ti)(ti)(ti)放在桌子上(shang)同极(ji)(ji)相(xiang)对时,它们会(hui)(hui)相(xiang)互(hu)排斥。当(dang)两个(ge)(ge)同极(ji)(ji)距离(li)足够远后,它们将(jiang)停止移(yi)动。如果把一(yi)(yi)个(ge)(ge)磁(ci)体(ti)(ti)(ti)靠(kao)近(jin)第(di)二个(ge)(ge)磁(ci)体(ti)(ti)(ti),第(di)二个(ge)(ge)磁(ci)体(ti)(ti)(ti)也会(hui)(hui)因(yin)同性(xing)(xing)相(xiang)斥被(bei)推(tui)远。如果继续(xu)这(zhei)样(yang)做,磁(ci)体(ti)(ti)(ti)将(jiang)持续(xu)移(yi)动,这(zhei)就是(shi)换(huan)向(xiang)的线性(xing)(xing)示例(li)。有(you)刷(shua)直流电(dian)(dian)机(ji)(ji)(ji)(ji)实(shi)行机(ji)(ji)(ji)(ji)械换(huan)向(xiang),这(zhei)意味着电(dian)(dian)机(ji)(ji)(ji)(ji)的物理结构(gou)实(shi)际上(shang)会(hui)(hui)导致电(dian)(dian)机(ji)(ji)(ji)(ji)换(huan)向(xiang)。电(dian)(dian)刷(shua)与换(huan)向(xiang)器(qi)接触,随(sui)着电(dian)(dian)机(ji)(ji)(ji)(ji)旋(xuan)(xuan)转(zhuan),电(dian)(dian)流通过电(dian)(dian)机(ji)(ji)(ji)(ji)线圈(quan),将(jiang)会(hui)(hui)使极(ji)(ji)性(xing)(xing)交替(ti)。这(zhei)允(yun)许定子永磁(ci)体(ti)(ti)(ti)产生(sheng)的磁(ci)场,始终与转(zhuan)子产生(sheng)的磁(ci)场相(xiang)反,因(yin)而总能产生(sheng)力(li)。机(ji)(ji)(ji)(ji)械换(huan)向(xiang)表示有(you)刷(shua)直流电(dian)(dian)机(ji)(ji)(ji)(ji)只需在电(dian)(dian)机(ji)(ji)(ji)(ji)绕组上(shang)施加(jia)一(yi)(yi)些(xie)电(dian)(dian)压(ya)即可旋(xuan)(xuan)转(zhuan)。
有刷直流电机结构:
很多读者在(zai)看(kan)到本文的标题后很可能正处于(yu)迷(mi)惑中(zhong),因为到现在(zai)为止我还没有谈及无刷直(zhi)流电机(ji)。不过,为了解释(shi)“无刷”,我需要(yao)首先解释(shi)电刷用在(zai)什么地方。
无(wu)刷电(dian)(dian)机(ji)的(de)(de)(de)起源从头来(lai)讲(jiang)也是(shi)比较(jiao)简单的(de)(de)(de):大部分有(you)刷直流(liu)电(dian)(dian)机(ji)的(de)(de)(de)问(wen)题都(dou)来(lai)自于电(dian)(dian)刷。电(dian)(dian)刷可(ke)能打火花、磨损、产生(sheng)很(hen)强的(de)(de)(de)噪音并(bing)产生(sheng)很(hen)大一部分功耗,导致速度被严重限制,且不容易冷却。这(zhei)(zhei)意味着您不能在任何(he)易燃物周围、需要长使(shi)用寿命、静(jing)音或(huo)高(gao)(gao)(gao)效率的(de)(de)(de)应用条(tiao)件(jian)下、在任何(he)高(gao)(gao)(gao)速或(huo)高(gao)(gao)(gao)功耗系统中使(shi)用有(you)刷直流(liu)电(dian)(dian)机(ji)。这(zhei)(zhei)都(dou)是(shi)电(dian)(dian)刷显著(zhu)的(de)(de)(de)缺点,取消电(dian)(dian)刷就可(ke)以解决这(zhei)(zhei)些问(wen)题,但是(shi)不好的(de)(de)(de)地方是(shi)同时消除了机(ji)械(xie)换向。
缺乏(fa)机(ji)械换(huan)(huan)(huan)向会造成其它问题(ti),因为电机(ji)需要换(huan)(huan)(huan)向。无刷电机(ji)使用(yong)电气换(huan)(huan)(huan)向,听起来(lai)(lai)很(hen)神奇吗?这种换(huan)(huan)(huan)向方式下,您需要确保(bao)电机(ji)中的(de)电流(liu)始(shi)终产生一个可以移动转(zhuan)子(zi)的(de)磁(ci)场(chang)。您需要先知道转(zhuan)子(zi)在哪里,才能考虑(lv)如何施加(jia)电流(liu)来(lai)(lai)移动转(zhuan)子(zi)。
无刷直流电机结构:
无刷(shua)直流(liu)电机(ji)系统的首个重(zhong)大结构(gou)决策是“有(you)传(chuan)(chuan)感器(sensored)”和“无传(chuan)(chuan)感器(sensorless)”之分。您需(xu)要知道转(zhuan)子(zi)在哪的话,有(you)两种(zhong)方法能帮助您:
• 有传(chuan)感器(qi)法,通(tong)常使用(yong)霍(huo)(huo)尔(er)(er)效(xiao)应(ying)(ying)传(chuan)感器(qi)或(huo)编码器(qi),来探测转子(zi)的(de)位置(zhi)。虽然编码器(qi)可以(yi)给(ji)予非常准确的(de)角(jiao)度反馈,但这种方法成本很高。霍(huo)(huo)尔(er)(er)效(xiao)应(ying)(ying)传(chuan)感器(qi)是一种很受欢迎(ying)的(de)磁传(chuan)感器(qi)。在三(san)相无刷(shua)直流(liu)电(dian)机中,部署三(san)个霍(huo)(huo)尔(er)(er)效(xiao)应(ying)(ying)传(chuan)感器(qi)可以(yi)实现简单(dan)的(de)六步换向。
• 无(wu)(wu)(wu)传感(gan)器法,位置(zhi)估(gu)计(ji)通(tong)常(chang)涉及测量(liang)或估(gu)计(ji)电(dian)(dian)(dian)机(ji)(ji)旋转时产(chan)生(sheng)的(de)(de)逆电(dian)(dian)(dian)动(dong)势(EMF)。逆电(dian)(dian)(dian)动(dong)势是个复杂的(de)(de)话题,最好单独讲解。简言之,它是电(dian)(dian)(dian)机(ji)(ji)线圈上生(sheng)成(cheng)的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)压(ya),即电(dian)(dian)(dian)机(ji)(ji)速(su)度及电(dian)(dian)(dian)机(ji)(ji)负载的(de)(de)函数。无(wu)(wu)(wu)传感(gan)器法的(de)(de)本质上是一(yi)种估(gu)计(ji),通(tong)常(chang)需要进行复杂的(de)(de)计(ji)算。随着电(dian)(dian)(dian)机(ji)(ji)速(su)度的(de)(de)下(xia)降(例(li)如,对于位置(zhi)控制的(de)(de)伺服电(dian)(dian)(dian)机(ji)(ji)),无(wu)(wu)(wu)传感(gan)器法将变得(de)异常(chang)困难,这(zhei)是因为逆电(dian)(dian)(dian)动(dong)势随速(su)度下(xia)降。
无(wu)刷直(zhi)(zhi)流(liu)(liu)电(dian)机(ji)系统的(de)(de)第二个重大(da)结构决策是控制方法。如果您知道转(zhuan)子在(zai)哪里,需要施加一定的(de)(de)电(dian)流(liu)(liu)来(lai)移动转(zhuan)子的(de)(de)话,三相无(wu)刷直(zhi)(zhi)流(liu)(liu)电(dian)机(ji)需要至少六(liu)个不同的(de)(de)电(dian)位。图 3是一张简图,您可以使用“梯形”、“六(liu)步”或“120度”的(de)(de)控制方法来(lai)找(zhao)到无(wu)刷直(zhi)(zhi)流(liu)(liu)电(dian)机(ji)换(huan)向的(de)(de)方法。
另外一(yi)种(zhong)方法是为电(dian)机施加更平滑(hua)的电(dian)流波(bo)形(xing),这称之为“正弦波(bo)”控(kong)制或(huo)“180度”。与梯形(xing)控(kong)制相(xiang)比,当与合(he)适的电(dian)机配合(he)使(shi)用时,这种(zhong)控(kong)制方法能够提高(gao)效率,降低噪音。缺点是要(yao)(yao)实现(xian)平滑(hua)电(dian)压和电(dian)流分布,复杂性比较(jiao)高(gao),通(tong)常需要(yao)(yao)更准确的脉宽调制(PWM)计时器(qi)。
在写这(zhei)篇短文(wen)时(shi),我很(hen)快就意识(shi)(shi)到这(zhei)个主题其实非常宽泛。如(ru)磁场(chang)定(ding)向控制、电机启动、内转子与外转子、极数、Δ(Delta)与Y型(xing)绕(rao)组,以及(ji)许多细节本文(wen)无法一一述及(ji)。不过,我真心希望您能在读(du)过后,在电机知(zhi)识(shi)(shi)方(fang)面有所受益。