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霍尔效应传感器式替代反电动势的方法

时间:2019-01-25 14:08:19来源:网络 作者:admin 点击:
无刷直流 (BLDC) 电机变得越来越流行,原因不言自明,因为使用传统电机时始终会有电刷磨损,更换为电子控制器后将会大大提升设备的的可靠性。 而且在保持同等功率输出的情

无刷直流 (BLDC) 电机变得越来越流行,原因不言自明,因为使用传统电机时始终会有电刷磨损,更换为电子控制器后将会大大提升设备的的可靠性。 而且在保持同等功率输出的情况下,BLDC 电机可以做得更小、更轻,特别适合空间受限型应用。

由于 BLDC 电机的转子和定子之间不存在机械和电接触,因此需要替代方法来指示零部件的相对位置,从而实现电机控制。 BLDC 电机使用两种方式之一来实现此目的,即采用霍尔传感器或测量反电动势。

废除传感器

BLDC 电机去掉了组成传统装置机械换向器的磨损零件(改进了可靠性) 此外,BLDC 电机具有高扭矩/电机尺寸比率,快速动态响应能力,且几无工作噪声。

BLDC 电机归类为同步设备,因为转子和定子的磁场频率相同。 定子由钢片组成,轴向开槽以便沿着内部圆柱面容纳奇数个的绕组。 转子采用永久磁体制造,具有两到八个 N-S 磁极对。

BLDC 电机的电子换向器顺次激励定子线圈,产生旋转电磁场,从而“拖拽”围绕它的转子。 通过确保线圈在正确的时间获得精确地激励来实现有效运转。

传感器很有用,但会增加成本,增加复杂性(由于需要附加绕组),并降低了可靠性(部分原因是传感器连接更容易受到灰尘和潮湿环境的污染)。 无传感器控制方式解决了这些不足。

利用反电动势

电机的绕组切过磁力线时就象一个发电机。 此时会在绕组中产生电势,以电压表示,称作电动势 (EMF)。 按照伦茨定律,这一电动势会产生二次磁场,对抗驱动电机旋转的磁通量的原始变化。 简而言之 ,这种电动势会阻碍电机自然运动,因而称之为“反”电动势。 在既定电机磁通量和绕组数固定的情况下,电动势的幅度与电机的角速度成正比。

BLDC 电机制造商指定了一个称“作反电动势常数”的参数,用来估计既定速度的反电动势。 通过从供应电压中减去反电动势即可计算出绕组上的电势。 电机是这样设计的,当它们以额定速度运转时,反电动势和供应电压间的电势差将会引起电机消耗额定电流并输出额定扭矩。

驱动电机超出额定速度时会大幅增加反电动势,从而降低了绕组的电势差,反过来减少了电流并降低了扭矩。 更快地推动电机仍会引起反电动势(加上电机损耗)完全等于供应电压——此时,电流和扭矩都将为零。

因为反电动势会降低电机扭矩,这有时是一种劣势,但对于 BLDC 电机,工程师却可以将这种现象转变为优势。

三相 BLDC 电机变换序列的各个阶段是通过正向激励一个绕组、反向激励第二个绕组,然后让第三个绕组开路来实现的。 图 1 显示了此类电机的第一个六阶段换向序列的简化示意图。

霍尔效应传感器式替代反电动势的方法

图 1: 针对 BLDC 电机的第一个六阶段电循环 线圈 A 正向激励,线圈 B 为开路,C 反向激励(Microchip 提供)。

使用霍尔传感器的 BLDC 电机使用受 MCU 控制并通过驱动器操作的设备产生的输出,来切换绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 或金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 以正常顺序激励线圈。 当霍尔传感器输出变化状态时,这些晶体管就会触发(同时线圈会被激励)。¹

BLDC 电机的无传感器变型电机,则无霍尔效应传感器。 相反,当电机旋转时,三个线圈中的反向电动势会以梯形(长虚线)方式变化,如图 2 所示。 为便于比较,同一图中也显示了类似配置电机的霍尔传感器的输出。

霍尔效应传感器式替代反电动势的方法

图 2: 三相 BLDC 电机的霍尔传感器输出与反电动势之比较 注意,霍尔传感器的切换方式与跨过无传感器电机中零点时相应线圈的反电动势是一致的(Microchip 提供)。

所有三个零交叉点的组合用来决定线圈的激励序列。 注意,传统 BLDC 电机中单个霍尔传感器变化输出,与无传感器电机中单个线圈的反电动势零交叉点之间有一个 30 度的相位差。 因此,在检测到零交叉点之后,我们会在无传感器电机电路的固件中内置一个 30 度相位延迟,然后再激活激励序列中的下一个动作。 图 2 中,短虚线表示线圈中的电流。

图 3 显示了无传感器三相 BLDC 电机的一个控制电路。 在这种情况下,该电路使用了 Microchip PIC18FXX31 8 位 MCU 来产生脉冲宽度调制 (PWM) 输出,以触发三相逆变器桥中的 IGBT 或 MOSFET。 该 MCU 对来自反电动势零交检测电路的输入作出反应。

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