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    直流有刷電機測試解決方案壓縮機電機定子測試解決方案

    無刷直流(BLDC)電機的原理及正確的使用方法

      作者:艾普智能點擊:8540發布時間:2020-12-17 13:07:46

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    最基本的電機是 “DC電機(有刷電機)”。在磁場中放置線圈,通過流動的電流,線圈會被一側的磁極排斥,同時被另一側磁極所吸引,在這種作用下不斷旋轉。在旋轉過程中令通向線圈中的電流反向流動,使其持續旋轉。電機中有個叫"換向器"的部分是靠"電刷"供電的,"電刷"的位置在"轉向器"上方,隨著旋轉不斷移動。通過改變電刷的位置,可使電流方向發生變化。換向器和電刷是DC電機的旋轉所不可或缺的結構(圖一)。

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    圖一:DC電機(有刷電機)的運轉示意圖。

    換向器切換線圈中電流的流向,反轉磁極的方向,使其始終向右旋轉。電刷向與軸一同旋轉的換向器供電。

    活躍于多個領域的電機

    我們按電源種類和轉動原理對電機進行了分類(圖2)。讓我們來簡單看看各類電機的特點和用途吧。

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    圖2:電機的主要類型

    構造簡單而又容易操控的DC電機(有刷電機)通常被用在家電產品的“光盤托盤的開閉”等用途上。或用在汽車的“電動后視鏡的開閉、方向控制”等用途上。雖然它既廉價又能用在多個領域上,但它也有缺陷。由于換向器會和電刷接觸,它的壽命很短,必須定期更換電刷或保修。

    步進電機會隨著向其發出的電脈沖數旋轉。它的運動量取決于向其發出的電脈沖數,因此適用于位置調整。在家庭中通常被用于“傳真機和打印機的送紙”等。由于傳真機的送紙步驟取決于規格(刻紋、細致度),因此隨著電脈沖數旋轉的步進電機非常便于使用。很容易解決信號一旦停止機器就會暫時停止的問題。

    旋轉數隨電源頻率變化的同步電機被用于“微波爐的旋轉桌”等用途上。電機組里有齒輪減速器,可以得到適合加熱食品的旋轉數。感應電機也受電源頻率的影響,但頻率和旋轉數不一致。以前這類AC電機被用在風扇或洗衣機上。

    由此可見,各式各樣的電機活躍于多個領域。其中,BLDC電機(無刷電機)具有怎樣的特點才會用途如此之廣呢?

    BLDC電機是如何旋轉的?

    BLDC電機中的“BL”意為“無刷”,就是DC電機(有刷電機)中的“電刷”沒有了。電刷在DC電機(有刷電機)里扮演的角色是通過換向器向轉子里的線圈通電。那么沒有電刷的BLDC電機是如何向轉子里的線圈通電的呢?原來BLDC電動機電機采用永磁體來做轉子,轉子里是沒有線圈的。由于轉子里沒有線圈,所以不需要用于通電的換向器和電刷。取而代之的是作為定子的線圈(圖3)。

    DC電機(有刷電機)中被固定的永磁體所制造出的磁場是不會動的,通過控制線圈(轉子)在其內部產生的磁場來旋轉。要通過改變電壓來改變旋轉數。BLDC電機的轉子是永磁體,通過改變周圍的線圈所產生的磁場的方向使轉子旋轉。通過控制通向線圈的電流方向和大小來控制轉子的旋轉。

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    圖3:BLDC電機的運轉示意圖。

    BLDC電機將永磁體作為轉子。由于無需向轉子通電,因此不需要電刷和換向器。從外部對通向線圈的電進行控制。

    BLDC電機的優點

    BLDC電機的定子上有三個線圈,每個線圈有兩根電線,電機中共有六根引出線。實際上,由于是內部接線,通常只需要三根線,但還是比先前所說的DC電機(有刷電機)要多出一根。純靠連接電池的正負極是不會動的。至于如何運行BLDC電機將在本系列的第二回中進行說明。此次我們要關注的是BLDC電機的優點。

    BLDC電機的第一個特點是“高效率”。可以控制它的回旋力(扭矩)始終保持最大值。DC電機(有刷電機)的話,旋轉過程中最大扭矩只能保持一個瞬間,無法始終保持最大值。若DC電機(有刷電機)想要得到和BLDC電機一樣大的扭矩,只能加大它的磁鐵。這就是為什么小型BLDC電機也能發出強大力量的原因。

    第二個特點是“良好的控制性”,與第一個有所關聯。BLDC電機可以絲毫不差的得到你所想要的扭矩、旋轉數等。BLDC電機可以精確地反饋目標旋轉數、扭矩等。通過精確的控制可以抑制電機的發熱和電力的消耗。若是電池驅動,則能通過周密的控制,延長驅動時間。

    除此之外還有耐用,電氣噪音小等特點。上述兩點是無電刷所帶來的優勢。而DC電機(有刷電機)由于電刷和換向器之間的接觸,長時間使用會有損耗。接觸的部分還會產生火花。尤其是換向器的縫隙碰到電刷時會出現巨大的火花和噪音。若不希望使用過程中產生噪音,會考慮采用BLDC電機。

    BLDC電機適用于這些方面

    高效率、多樣操控、壽命長的BLDC電機一般會用在哪些地方呢?往往被用于能夠發揮其高效率、壽命長的特點,被連續使用的產品中。例如:家電。人們很早就開始使用洗衣機和空調了。最近電風扇中也開始采用BLDC電機,并成功促使消耗電力大幅度下降。正是因為效率高才讓消耗電力下降的。

    吸塵機中也采用了BLDC電機。在某個事例中,通過變更控制系統,實現了旋轉數的大幅度上升。這個事例體現了BLDC電機的良好控制性。

    作為重要存儲介質的硬盤,其旋轉部分也采用了BLDC電機。由于它是需要長時間運轉的電機,因此耐用性很重要。當然,它還有極力抑制電力消耗的用途。這里的高效率也和電力的低消耗有關。

    BLDC電機的用途還有很多

    BLDC電機有望被應用在更廣泛的領域中。BLDC電機將會在小型機器人,尤其是在制造以外的領域提供服務的“服務機器人”中得到廣泛應用。“定位對于機器人很重要,不是應該使用隨電脈沖數運行的步進電機嗎?”或許會有人這么想。但是在力量控制方面,BLDC電機更合適。另外,若采用步進電機,像機器人手腕這樣的構造要固定在某個位置需要提供相當大的電流。若是BLDC電機,則能配合外力只提供所需的電力,從而抑制電力的消耗。

    還可用于運輸方面。一直以來,老年人電動車或高爾夫球車中大多采用簡單的DC電機,但最近都開始采用具有良好控制性的高效率BLDC電機了。可以通過細微的控制,延長電池的持續時間。BLDC電機還適用于無人機中。尤其是多軸機架的無人機,由于它是通過改變螺旋槳的旋轉數來控制飛行姿態的,因此能夠精密控制旋轉的BLDC電機很有優勢。

    怎么樣?BLDC電機是效率高、控制性良好、壽命長的優質電機。但是,要想將BLDC電機的力量發揮到極致,則需要正確的控制。該如何操作呢?

    僅靠連接無法轉動

    內轉子型BLDC電機是典型的BLDC電機的一種,其外觀與內部構造如下所示(圖1)。帶刷DC電機(以下稱為DC電機)的轉子上有線圈,外側放有永磁體。BLDC電機的轉子上有永磁體,外側是線圈。BLCD電機的轉子沒有線圈,是永磁體,因此沒有必要在轉子上通電。實現了不帶通電用的電刷的“無刷型”。

    另一方面,與DC電機相比,控制也變得更難了。并不是只要將電機上的電纜接上電源就好了。本來就連電纜數目都不一樣。和“將正極(+)和負極(-)連上電源”的方式不同。

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    圖1:BLDC電機的外觀及內部構造

    轉子是永磁體,因此無法通電。無需電刷及換向器,可謀求延長使用壽命

    改變磁通量的方向

    為了轉動BLDC電機,必須控制線圈的電流方向及時機。圖2-A是將BLDC電機的定子(線圈)和轉子(永磁體)模式化的結果。使用該圖片,思考一下轉子旋轉的情況吧。思考使用3個線圈的情況。雖然實際上也有使用6個或以上的線圈的情況,但在考慮原理的基礎上,每120度放一個線圈,使用3個線圈。電機將電氣(電壓、電流)轉換為機械性旋轉。圖2-A的BLDC電機又是如何轉動呢?先來看一看電機中發生了什么吧。

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    圖2-A:BLDC電機轉動原理

    BLDC電機中每隔120度放置一個線圈,總共放置三個線圈,控制通電相或線圈的電流。

    如圖2-A所示,BLDC電機使用3個線圈。這三個線圈用以在通電后生成磁通量,將其命名為U、V、W。將該線圈通電試試看吧。線圈U(以下簡稱為“線圈”)上的電流路徑記為U相,V的記錄為V相,W的記錄為W相。接下來看一看U相吧。向U相通電后,將產生如圖2-B所示的箭頭方向的磁通量。

    但實際上,U、V、W的電纜都是互相連接著的,因此無法僅向U相通電。在這里,從U相向W相通電,會如圖2-C所示在U、W產生磁通量。合成U和W的兩個磁通量,變為圖2-D所示的較大的磁通量。永磁體將進行旋轉,以使該合成磁通量與中央的永磁體(轉子)的N極方向相同。

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    圖2-B:BLDC電機的轉動原理

    從U相向W向通電。首先,只關注線圈U部分,則發現會產生如箭頭般的磁通量。

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    圖2-C:BLDC電機的轉動原理

    從U相向W相通電,則會產生方向不同的2個磁通量。

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    圖2-D:BLDC電機的轉動原理

    從U相向W相通電,可以認為產生了兩個磁通量合成的磁通量。

    若改變合成磁通量的方向,則永磁體也會隨之改變。配合永磁體的位置,切換U相、V相、W相中通電的相,以變更合成磁通量的方向。連續執行此操作,則合成磁通量將發生旋轉,從而產生磁場,轉子旋轉。

    圖3所示的是通電相與合成磁通量的關系。在該例中,按順序從1-6變更通電模式,則合成磁通量將順時針旋轉。通過變更合成磁通量的方向,控制速度,可控制轉子的旋轉速度。將切換這6種通電模式,控制電機的控制方法稱為“120度通電控制”。

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    圖3:轉子的永久磁石會像被合成磁通量牽引一樣旋轉,電機的軸也會因此旋轉

    使用正弦波控制,進行流暢的轉動

    接下來,盡管在120度通電控制下合成磁通量的方向會發生旋轉,但其方向不過只有6種。比如將圖3的“通電模式1”改為“通電模式2”,則合成磁通量的方向將變化60度。然后轉子將像被吸引一樣發生旋轉。接下來,從“通電模式2”改為“通電模式3”,則合成磁通量的方向將再次變化60度。轉子將再次被該變化所吸引。這一現象將反復出現。這一動作將變得生硬。有時這動作還會發出噪音。

    能消除120度通電控制的缺點,實現流暢的轉動的正是“正弦波控制”。在120度通電控制中,合成磁通量被固定在了6個方向。進行控制,使其進行連續的變化。在圖2-C的例子中,U和W生成的磁通量大小相同。但是,若能較好地控制U相、V相、W相,則可讓線圈各自生成大小各異的磁通量,精密地控制合成磁通量的方向。調整U相、V相、W相各相的電流大小,與此同時生成了合成磁通量。通過控制這一磁通量連續生成,可使電機流暢地轉動。

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    圖4:正弦波控制

    正弦波控制可控制3相上的電流,生成合成磁通量,實現流暢的轉動。可生成120度通電控制無法生成的方向上生成合成磁通量。

    使用逆變器控制電機

    那么U、V、W各相上的電流又如何呢?為便于理解,回想120度通電控制的情況看看吧。請再次查看圖3。在通電模式1時,電流從U流至W;在通電模式2時,電流從U流至V。可以看出,每當有電流流動的線圈的組合發生改變時,合成磁通量箭頭的方向也會發生變化。

    接下來,請看通電模式4。在該模式下,電流從W流至U,與通電模式1的方向相反。在DC電機中,像這樣的電流方向的轉換是由換向器和刷子的組合來進行了。但是,BLDC電機不使用這樣的接觸型的方法。使用逆變器電路,更改電流的方向。在控制BLDC電機時,一般使用的是逆變器電路。

    另外逆變器電路可改變各相中的外加電壓,調整電流值。電壓的調整中,常用的是PWM(Pulse Width Modulation=脈沖寬度調制)。PWM是一種通過調整脈沖ON/OFF的時間長度改變電壓的方法,重要的是ON時間和OFF時間的比率(占空比)變化。若ON的比率較高,可以得到和提高電壓相同的效果。若ON的比率下降,則可以得到和電壓降低相同的效果(圖5)。

    為了實現PWM,現在還有配備了專用硬件的微電腦。進行正弦波控制時需控制3相的電壓,因此比起只有2相通電的120度通電控制來說,軟件要稍稍復雜一些。逆變器是對驅動BLDC電機必要的電路。交流電機中也使用了逆變器,但可以認為家電產品中所說的“逆變器式”幾乎使用的是BLDC電機。

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    圖5:PWM輸出與輸出電壓的關系

    變更某時間內的ON時間,以變更電壓的有效值。ON時間越長,有效值越接近施加100%電壓時(ON時)的電壓。

    使用位置傳感器的BLDC電機

    以上是BLDC電機的控制的概況。BLDC電機通過改變線圈生成的合成磁通量的方向,使轉子的永磁體隨之變化。

    實際上,在以上的說明中,還有一點沒有提到。即BLDC電機中的傳感器的存在。BLDC電機的控制是配合著轉子(永磁體)的位置(角度)進行的。因此,獲取轉子位置的傳感器是必需的。若沒有傳感器得知永磁體的方向時,轉子可能會轉至意料之外的方向。有傳感器提供信息的話,就不會出現這樣的情況了。

    表1中顯示的是BLDC電機主要的位置檢測用傳感器的種類。根據控制方式的不同,需要的傳感器也是不同的。在120度通電控制中,為判斷要對哪個相通電,配備了可每60度輸入一次信號的霍爾效應傳感器。另一方面,對于精密控制合成磁通量的“矢量控制”(在下一項中說明)來說,轉角傳感器或光電編碼器等高精度傳感器較為有效。

    通過使用這些傳感器可以檢測出位置,但也會帶來一些缺點。傳感器防塵能力較弱,而且維護也是不可或缺的。可使用的溫度范圍也會縮小。使用傳感器或為此增加配線都會造成成本的上升,而且高精度傳感器本身就價格高昂。于是,“無傳感器”這一方式登場了。它不使用位置檢測用傳感器,以此控制成本,且不需要傳感器相關的維護。但此次為了說明原理,因此假定已從位置傳感器獲得了信息來吧。

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    通過矢量控制時刻保持高效率

    正弦波控制為3相通電,流暢地改變合成磁通量的方向,因此轉子將流暢地旋轉。120度通電控制切換了U相、V相、W相中的2相,以此來使電機轉動,而正弦波控制則需要精確地控制3相的電流。而且控制的值是時刻變化的交流值,因此,控制變得更為困難。

    在這里登場的便是矢量控制了。矢量控制可通過坐標變換,把3相的交流值作為2相的直流值進行計算,因此可簡化控制。但是,矢量控制計算需要高分辨率下的轉子的位置信息。位置檢測有兩種方法,即使用光電編碼器或轉角傳感器等位置傳感器的方法,以及根據各相的電流值進行推算的無傳感器方法。通過該坐標變換可直接控制扭矩(旋轉力)的相關電流值,從而實現沒有多余電流的高效控制。

    但是,矢量控制中需要進行使用三角函數的坐標變換,或復雜的計算處理。因此,大多情況下都會使用計算能力較強的微電腦作為控制用微電腦,比如配備了FPU(浮點運算器)的微電腦等。

    以上是艾普小編為大家分享的關于直流無刷電機及正常的使用方法但是若想提高直流無刷電機出廠質量、降低電機生產不良率,這時候還需要用到電機生產過程中的檢測設備,今日艾普小編為大家推出的產品是:直流無刷電機綜合測試系統

    無刷電機綜合測試系統

    本系列產品主要應用于汽車、風扇、空調、洗衣機等產品上的無刷電機整機的電氣綜合性能參數快速精準測試。系統由測試工裝、工業計算機、測試主機、系統控制軟件以及各個功能模塊等組成,可以實現對無刷電機整機的安規性能測試,負載測試,設備啟動后按照測試流程依次完成設置的測試項目,測試完成后給出合格以及不合格指示及聲光報警。

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