發布日期：2022-10-09 點擊率：96
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內容來自用戶:xuwei
無刷直流電機的工作原理
無刷直流電機的控制結構
無刷直流電機是同步電機的一種，也就是說電機轉子的轉速受電機定子旋轉磁場的速度及轉子極數(P)影響：N=120．f/P。在轉子極數固定情況下，改變定子旋轉磁場的頻率就可以改變轉子的轉速。無刷直流電機即是將同步電機加上電子式控制(驅動器)，控制定子旋轉磁場的頻率并將電機轉子的轉速回授至控制中心反復校正，以期達到接近直流電機特性的方式。也就是說無刷直流電機能夠在額定負載范圍內當負載變化時仍可以控制電機轉子維持一定的轉速。無刷直流驅動器包括電源部及控制部如圖(1)：電源部提供三相電源給電機，控制部則依需求轉換輸入電源頻率。電源部可以直接以直流電輸入(一般為24V)或以交流電輸入(110V/220V)，如果輸入是交流電就得先經轉換器(converter)轉成直流。不論是直流電輸入或交流電輸入要轉入電機線圈前須先將直流電壓由換流器(inverter)轉成3相電壓來驅動電機。換流器(inverter)一般由6個功率晶體管(Q1～Q6)分為上臂(Q1、Q3、Q5)/下臂(Q2、Q4、Q6)連接電機作為控制流經電機線圈的開關。控制部則提供PWM(脈沖寬度調制)決定功率晶體管開關頻度及換流器(inverter)換相的時機。無刷直流電機一般希望使用在當負載變動時速度可以穩定于設定值而不會變動太大的速度控制，所以電機內部裝有能感應磁場的霍爾傳感器(hall-sensor)，做為速度之閉回路控制，同時也做為相序控制的依據。但這只是用來做為速度控
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? ? 已有一些文獻對如何確定霍耳信號與定子繞組關系進行了研究，并提出了一些檢測方法。提出了區分無刷直流電機定子繞組、霍耳傳感器引腳的方法，但這種方法適用于霍耳傳感器的輸出為模擬量的情況，而無刷直流電機的霍耳傳感器大多輸出數字量。根據線反電勢與換相信號的關系來判斷換相信號與繞組關系，使用DSP 捕捉線反電勢過零點，使用示波器來采集線反電勢波形，要獲得線反電勢，兩種方法都要借助外力使電機轉動。需要將轉子轉到特定位置，然后根據繞組通電情況判斷，實現不太方便。提出了一種無刷直流電機相序故障自恢復方法，但這種方法需提前獲知霍耳信號的安裝方式，即120°安裝還是60°安裝。
?
? 采用三三導通的方式將電機轉子依次轉到6個位置，并紀錄對應的霍耳信號，以此來判斷繞組與霍耳信號關系。該方法無需提前獲知霍耳傳感器是120°安裝還是60°安裝，也無需借助外力使電機轉動，安全可靠，簡單易行，可以廣泛應用于帶霍耳傳感器的無刷直流電機應用場合，如電動自行車、紡織機械等。
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1、直流無刷電機原理
? ? 三相無刷直流電機常采用兩兩導通的方式工作，兩兩導通指任意時刻逆變器只有2只開關管開通。無刷直流電機需要根據轉子位置來切換工作狀態，也就是說換相點是無刷直流電機正常工作必不可少的信息。圖1為三相無刷直流電機換相點示意圖，為便于理解，特給出了反電勢以及相電流波形，圖中ea，eb，ec代表三相相反電勢，由圖可見，對于三相無刷直流電機，每個電周期內有6個不同的換相點，也就是說每個電周期內電機換相6次。
霍耳傳感器常用來檢測無刷直流電機換相點。三相無刷直流電機需要3 個霍耳傳感器來檢
測6 個不同的位置，霍耳傳感器的安裝有120° 安裝和60° 安裝2 種方式，120° 安裝指3 個霍耳傳感
器互差120° （電角度），而60°安裝指3 個霍耳傳感器互差60° （電角度），2 種安裝方法對應霍耳傳感
器的輸出信號如圖2 所示，圖2 中霍耳信號跳變的位置就是換相點。2 種安裝方式最大的區別在于采用60 ° 安裝時可以輸出“000”和“111”信號，而120° 安裝則不會輸出這2 個信號，通過這一點可以判斷霍耳傳感器的安裝方式。
?不管采用哪種安裝方式，輸出的霍耳信號將每個電周期分為6 個區域，當轉子轉到某個區域時，特定的繞組通電，無刷直流電機即可正常運行，若霍耳信號與繞組關系不準確，電機將無法工作，甚至會造成電機或逆變器損壞。下面介紹一種無刷直流電機霍耳信號與繞組關系自學習方法。
?
三相直流無刷電機轉矩可以由下式來計算；
? ? T =eaia + ebib + ecicω式中：ea ，eb ，ec 為三相相反電勢；ia ，ib ，ic 為三相相電流；ω 為電機角速度。空載時，在電機繞組中通以固定電流，電機轉子將轉到某一位置并停止，此時電機產生的轉矩零圖3中，Ⅰ～Ⅵ表示霍耳傳感器將電周期分成的6 個區域，當兩兩導通時，通電的兩相繞組電流大小相等，方相反，電機轉矩為零的點分布在各個區域的邊界上；當采用三三導通時，三相繞組均通電，若電流最大相的電流為I，那么其它兩相電流為－I/2，此時電機轉矩為零的點分布在各個區域的中間位置，如圖3 所示。通過以上分析可以知道，要使轉子轉到某一個區域，采用三三導通的方法要比兩兩導通的方法更加合理。
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? ?在某一個特定的區域，正常工作時需要通電的直流無刷電機繞組是一定的，如圖3 中的區域Ⅰ，兩兩導通時需A 相和B相繞組通電，要想產生正轉矩，A 相繞組應通正電流，B 相繞組應通負電流，記為“A+B-”，要產生負轉矩則“B+A-”，其它區域內直流無刷電機繞組通電的情況如表1 所示。如果電機采用三三導通方式工作，可以根據反電勢很容易地得出繞組通電情況，這里就不再列舉。
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