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无刷直流电源模块机原理、上风、应用!

标签:直流,直流电,流电,电源,模块,原理,上风,应用 时间:2019年10月16日 阅读8
【导读】本文要介绍在电源模块机种类里,发展快速且应用广泛的无刷直流电源模块机(简称BLDC)。BLDC被广泛应用于日常生活用具、汽车工业、航空、消耗电源模块子、医学电源模块子、工业主动化等装配和仪表中。   1.BLDC的好处   BLDC不使用机械结构的换向电源模块刷而直接使用电源模块子换向器,在使用中BLDC相比有刷电源模块机有很多的好处,比如:    ·能获得更好的扭矩转速特征;  ·高速动态相应;  ·高服从;  ·长寿命;  ·低噪声;  ·高转速。   另外,BLDC更优的扭矩和形状尺寸比使得它更适合用于对电源模块机自身重量和大小比较敏感的场合。在这篇应用笔记中将会对BLDC的结构、基本原理、特征和应用做一系列的探究。探究过程中可能用到的术语可以在附录B“术语表”中找到响应的诠释。   2.BLDC结构和基本工作原理    BLDC属于同步电源模块机的一种,这就意味着它的定子产生的磁场和转子产生的磁场是同频率的,所以BLDC并不会产生通俗感应电源模块机的频差征象。BLDC中又有单相、2相和   3相电源模块机的区别,相类型的不同决定其定子线圈绕组的多少。在这里我们将集中讨论的是应用最为广泛的3相BLDC。    2.1 定子    BLDC定子是由很多硅钢片经过叠压和轴向冲压而成,每个冲槽内都有肯定的线圈组成了绕组,可以参见下图。从传统意义上讲,BLDC的定子和感应电源模块机的定子有点类似,不过在定子绕组的分布上有肯定的差别。大多数的BLDC定子有3个呈星行排列的绕组,每个绕组又由很多内部结合的钢片按照肯定的体例组成,偶数个绕组分布在定子的四周组成了偶数个磁极。   无刷直流电源模块机原理、上风、应用! 图2.1.1. BLDC内部结构   BLDC的定子绕组可以分为梯形和正弦两种绕组,它们的根本区别在于因为绕组的不同连接体例使它们产生的反电源模块动势(反电源模块动势的相干介绍请参加EMF一节)不同,分别呈现梯形和正弦波形,故用此命名了。梯形和正弦绕组产生的反电源模块动势的波形图如下图。   无刷直流电源模块机原理、上风、应用!   另外还必要对反电源模块动势的一点说明就是绕组的不同其相电源模块流也是呈现梯形和正弦波形,可想而知正弦绕组因为波形平滑所以运行起来相对梯形绕组来说就更平稳一些。但是,正弦型绕组因为有更多绕组使得其在铜线的使用上就相对梯形绕组要多。   平时因为应用电源模块压的不同,我们可以根据必要选择不同电源模块压范围的无刷电源模块机。48V及其以下应用电源模块压的电源模块机可以用在汽车、机器人、小型机械臂等方面。100V及其以上电源模块压范围的电源模块机可以用在专用器具、主动控制以及工业生产领域。   2.2 转子   定子是2至8对永磁体按照N极和S极交替排列在转子四周构成的(内转子型),假如是外转子型BLDC那么就是贴在转子内壁咯。如图2.2.1所示;   无刷直流电源模块机原理、上风、应用! 图2.2.1 转子磁极排布   2.3 霍尔传感器    与有刷直流电源模块机不同,无刷直流电源模块机使用电源模块子体例换向。要使BLDC转起来,必须要按照肯定的顺序给定子通电源模块,那么我们就必要知道转子的位置以便按照通电源模块次序给响应的定子线圈通电源模块。定子的位置是由嵌入到定子的霍尔传感器感知的。通常会安排3个霍尔传感器在转子的旋转路径四周。无论何时,只要转子的磁极掠过霍尔元件时,根据转子当前磁极的极性霍尔元件会输出对应的高或低电源模块平,如许只要根据3个霍尔元件产生的电源模块平的时序就可以判断当前转子的位置,并响应的对定子绕组进行通电源模块。    霍尔效应:当通电源模块导体处于磁场中,因为磁场的作用力使得导体内的电源模块荷会领导体的一侧聚集,当薄平板通电源模块导体处于磁场中时这种效应更为显明,如许一侧聚集了电源模块荷的导领会抵消磁场的这种影响1号站平台,因为电源模块荷在导体一侧的聚集,从而使得导体两侧产生电源模块压,这种征象就称为霍尔效应,E.H霍尔在1879年发现了这一征象,故以此命名。   无刷直流电源模块机原理、上风、应用! 图2.3.1 霍尔传感器测量原理   图 2.3.1表现了NS磁极交替排列的转子的横截面。霍尔元件安放在电源模块机的固定位置,将霍尔元件安放到电源模块机的定子是比较复杂的,由于假如安放时位置没有和转子的磁场相切那么就可能导致霍尔元件的测量值不能正确的反应转子当前的位置,鉴于以上缘故原由,为了简化霍尔元件的安装,通常在电源模块机的转子上安装一颗冗余的磁体,这个磁体专门用来感应霍尔元件,如许就能起到和转子磁体感应的雷同结果,霍尔元件一样平常按照圆周安放在印刷电源模块路板上并配备了调节盖,如许用户就可以根据磁场的方向特别很是方便的调节霍尔元件的位置以便使它工作在最佳状况。    霍尔元件位置的安排上,有60°夹角和120°夹角两种。基于这种摆放情势,BLDC的电源模块流换向顺序由制造厂商制订,当我们控制电源模块机的时候就必要用到这种换向顺序。   细致:霍尔元件的电源模块压范围从4V到24V不等,电源模块流范围从5mA到15mA不等,所以在考虑控制器时要考虑到霍尔元件的电源模块流和电源模块压要求。另外,霍尔元件输出集电源模块极开路,使用时必要接上拉电源模块阻。   2.4 操作原理    每一次换向都会有一组绕组处于正向通电源模块;第二组反雷同电源模块;第三组不通电源模块。转子永磁体的磁场和定子钢片产生的磁场相互作用就产生了转矩,理论上,当这两个磁场夹角为90°时会产生最大的转矩,当这两个磁场重应时转矩变为0,为了使转子一直的转动,那么就必要按顺序改变定子的磁场,就像转子的磁场一向在追赶定子的磁场一样。典型的“六步电源模块流换向”顺序图展示了定子内绕组的通电源模块次序。    2.5 转矩/转速特征    图 2.5.1  转矩和速度特征表现了转矩和转速特征。BLDC一共有两种转矩度量:最大转矩和额定转矩。当电源模块机延续运转的时候体现出来的就是额定转矩。在无刷电源模块机达到额定转速之前,转矩不变,无刷电源模块机最高转速可以达到额定转速的150%,但是超速时电源模块机的转矩会响应降落。    在现实的应用中,我们常常会让带负载的电源模块机启动、停转和逆向运行,此时就必要比额定转矩更大的转矩。分外是当转子静止和反方向加速时启动电源模块机,这个时候就必要更大的转矩来抵消负载和转子自身的惯性,这个时候就必要提供最大的转矩一向到电源模块机进入正向转矩曲线阶段。   无刷直流电源模块机原理、上风、应用! 图2.5.1 转矩和速度特征   3. 换向时序   图2.6.1表现了霍尔元件的输出、反电源模块动势和相电源模块流的关系。图2.6.2表现了根据霍尔元件输出的波形应该绕组通电源模块的时序。   图2.6.1中的通电源模块序号对应的就是图2.6.2中的序号,每隔60°夹角其中一个霍尔元件就会改变一次其输出特征,那么一圈(通电源模块周期)下来就会有6次转变,同时相电源模块流也会每60°改变一次。但是,每完成一个通电源模块周期并不会使转子转动一周,转子转动一周必要的通电源模块周期数目和转子上的磁极的对数相干,转子有多少对磁极那么就必要多少个通电源模块周期。   图2.6.3是关于使用MCU控制无刷电源模块机的原理图,其中微控制器PIC18FXX31控制Q0-Q5组成的驱动电源模块路按照肯定的时序为BLDC通电源模块,根据电源模块机电源模块压和电源模块流的不同可以选择不同的驱动电源模块路,如MOSFET、IGBT或者直接使用双极性三极管。   表2.6.1和表2.6.2透露表现的是基于霍尔输入时在A、B、C绕组上的通电源模块时序。表2.6.1是转子顺时针转动的时序,表2.6.2是转子逆时针转动的时序。上面两个表格表现的是当霍尔元件呈60°排列时的驱动波形,前面也提到霍尔元件还可以呈120°的夹角排列,那么这个时候就必要响应的驱动波形,这些波形都可以在电源模块机生产商的资料里找到,应用时必要严酷遵守通电源模块时序。   无刷直流电源模块机原理、上风、应用! 图2.6.1 BLDC运行时序        无刷直流电源模块机原理、上风、应用! 图2.6.3 无刷电源模块机的驱动原理图   如图 2.6.3所示,假设驱动电源模块压和电源模块机运行时的电源模块压相称(包括驱动电源模块路自己的损耗),当PWMx按照给定的时序开和关时无刷电源模块机将会以额定的转速旋转。为了调速,我们使用远高于电源模块机运转频率的PWM波驱动电源模块机,通常我们必要至少10倍于电源模块机最高频率的PWM驱动波形。当PWM驱动波形的占空比转变时,使得其在定子上的有用电源模块压转变,这就实现了无刷电源模块机的调速,另外,当驱动电源模块源电源模块压高于电源模块机自己的额定电源模块压时,我们可以调节PWM的占空比来使得驱动电源模块源电源模块压适合电源模块机的额定驱动电源模块压。可想而知,我们可以使用统一个控制器去挂接不同额定电源模块压的电源模块机,此时只必要用控制器改变一下PWM的占空比就行了。另外还有一种控制体例:当微控制器的PWM输出不够用时,可以在整个通电源模块时序内将上臂一向导通(即上臂不使用PWM)而下臂使用PWM驱动。    图 2.6.3中连接数字和模仿转换通道的分压电源模块路提供了肯定速度的参考电源模块压,有了这个电源模块压,我们就可以计算PWM波形的有用值。   3.1 闭环控制    我们可以通过闭环测量当前电源模块机的转速而达到控制电源模块机的转速的目的,我们通过计算期望转速和现实转速的偏差,然后使用PID算法去调节PWM的占空比以达到控制电源模块机转速的目的。    对于低成本,低转速的应用场合,可以使用霍尔传感器获得转速反馈。行使PIC18FXX31微控制器自己的一个准时器去测量两个霍尔元件输出旌旗灯号电源模块,然后根据这个旌旗灯号得出现实的转速。    在高转速应用场合,我们可以在电源模块机上装上光电源模块编码器,可以行使其输出相差90°的旌旗灯号进行转速和转向的测量。通常营销策划,光电源模块编码器还可以输出PPR旌旗灯号,使得可以进行较正确的转子定位,编码器的编码刻度可以上百甚至上千,编码刻度越多,精度越高。   4. 反电源模块动势(BACK EMF)    根据楞次定律,当BLDC转动时其绕组会产生与绕组两端电源模块压相反方向的反向电源模块压,这就是反电源模块动势(BACK EMF)。记住,反电源模块动势和绕组所加电源模块压是反向的。决定反电源模块动势的重要因素有以下几点:     · 转子的角速度;  · 转子永磁体的磁场强度;  · 每个定子绕组缠绕的线圈数量。  计算反电源模块动势的公式:Back EMF = (E) ∝ NlBw 其中:  · N为每相绕组的线圈数量  · L转子的长度  · B为转子的磁通密度  · W为转子的角速度    当电源模块机一旦做好,那么其绕组的线圈数量和永磁体的磁通密度就定了,由公式可知,唯一决定反电源模块动势的量就是转子的角速度(也可以换算为线速度)且角速度和反电源模块动势成正比。厂家一样平常会提供电源模块机的反电源模块动势常量,通过它我们可以用来估计某一转速下反电源模块动势的大小。    绕组上的电源模块压等于供电源模块电源模块压减去反电源模块动势,厂家在设计电源模块机的时候会选取适当的反电源模块动势常量以便电源模块机工作时有充足的电源模块压差可以使电源模块机达到额定转速并具有充足的转矩。当电源模块机超过额定转速工作时,反电源模块动势会持续上升,这时加在电源模块机绕组间的有用电源模块压会降落,电源模块流会削减,扭矩会降落,当反电源模块动势和供电源模块电源模块压相称的时候,电源模块流降为0,扭矩为0,电源模块机达到极限转速   5. 无传感器BLDC控制   目前为止,我们所讨论的都是基于霍尔元件获取电源模块机转子位置的换向器控制体例,其实可以直接通过测量电源模块机反电源模块动势而知道转子的位置,在 图 2.6.1中已经可以比较清晰的看出反电源模块动势和霍尔元件输出旌旗灯号之间的关系。    通过前些章节的讨论,我们可以看出在任何时候,电源模块机的绕组都是有一相为正向通电源模块、一相为反向通电源模块和另外一相为不通电源模块。当某相反电源模块动势反向的时候霍尔传感器的输出也跟着转变。理想状况下,霍尔元件的输出会在相反电源模块动势过零的时候发生改变,现实应用时会有一段小的耽误,这种耽误可以通过微控制器补偿。    无刷直流电源模块机原理、上风、应用! 图 3.1.1为行使反电源模块动势过零检测的体例来控制BLDC。   图3.1.1 过零检测电源模块机控制   还有一方面必要考虑:当电源模块机转速比较低的时候,反电源模块动势会比较小,以致过零检测电源模块路无法正常检测,这个时候在电源模块机启动阶段就必要使用开环控制,当电源模块机启动到产生可以过零检测的反电源模块动势转速时,体系就必要切换到过零检测控制模式,进行闭环控制。最低的过零检测转速可以根据电源模块机的反电源模块动势常量计算出来。根据这个原理,可以去除霍尔元件以及因其安装的辅助磁体,如许就可以简化制造节约成本。另外,除去了霍尔元件的电源模块机可以安装在一些粉尘和油污比较大的地方而无须为保证霍尔的正常工作而准时进行清理,与此同时,这种免维护电源模块机还可以安装在人很难触及的地方。   6. 选择合适的BLDC    为现实应用选择合适的电源模块机是至关紧张的。根据电源模块机的负载特征,必要确定合适的电源模块机参数。其重要参数有以下几点:    ·应用是的最大扭矩要求; ·平方根(RMS)扭矩需求;  ·转速要求。    6.1 最大扭矩    最大的扭矩可以通过将负载扭矩、转动惯量和摩擦力相加得到。另外,还有一些额外的因素影响最大需求扭矩如:气隙空气的阻力等,这就必要至少20%的扭矩余量,综上所述,有以劣等式:    TP = (TL + TJ + TF) * 1.2    TJ为电源模块机启动或加速过程必要战胜的转动力矩,其重要包括电源模块机转子的转动力矩和负载的转动力矩,其透露表现为:    TJ = JL + M * α    上式中α为加速度,JL+M为定子和负载的转动力矩。电源模块机的机械轴决定电源模块机的负载力矩和摩擦力。    6.2 平方根扭矩    可以近似的认为平方根扭矩为现实应用中必要的持续输出扭矩。它由许多因素决定:最大扭矩、负载扭矩、转动惯量、加速、减速以及运行时间。下面的等式透露表现了平方根扭矩的计算,其中TA为加速时间、TD为减速时间和TR为运行时间。    TRMS = √ [{TP2 TA + (TL + TF)2TR + (TJ – TL – TF)2 TD}/(TA + TR + TD)]    6.3 转速    这是有应用需求的转速。比如,吹风机的转速需求是,最高转速和平均转速相差不大,显然在一些点对点定位体系如传送带和机械臂体系中就必要大转速范围的电源模块机,可以根据电源模块机的转速梯形曲线()确定电源模块机的转速需求。通常,因为其他因素北京做网站,在计算电源模块机转速需求的时候必要留有10%余量。   无刷直流电源模块机原理、上风、应用! 图6.3.1 转速梯形曲线   7. BLDC典型应用    BLDC的应用十分广泛,如汽车、工具、工业工控、主动化以及航空航天等等。总的来说,BLDC可以分为以下三种重要用途:    ·持续负载应用  ·可变负载应用  ·定位应用    7.1 持续负载应用    这种应用重要用于那些必要肯定转速但是对转速精度要求不高的领域,比如风扇、抽水机、吹风气等一类的应用。通常这类应用成本比较低且多是开环控制。    7.2 可变负载应用    这类重要指的是电源模块机转速必要在某个范围内转变的应用,在这类应用中重要对电源模块机的高转速特征和动态相应特征有更高的要求。家用器具中的洗衣机、甩干机和压缩机就是很好的例子。在汽车工业领域,油泵控制、电源模块控制器、发动机控制和电源模块子工具等也是很好的例子。在航空领域也有许多的应用,比如离心计心情、泵、机械臂、陀螺仪等等。这个领域中多使用电源模块机反馈器件组成半开环和闭环进行控制。这就必要复杂的控制算法,增长了控制器的复杂程度也增长了体系成本。    7.3 定位应用    大多数的工业控制和主动控制方面的应用属于这个类别。在这些应用中每每会完成能量的输送,如齿轮或者传送带,因此体系对电源模块机的转速的动态相应和转矩有分外的要求,同时这些应用也可能必要随时的改变电源模块机的转向,电源模块机可能工作在匀速,加速,削减阶段,而且有可能在这些阶段中负载也在转变,所以这对控制器提出了更高的要求,通常这种控制使用闭环控制,甚至会有扭矩环、速度环和位置环三个控制环。测速时可能会用上光电源模块编码器和一些同步设备。偶然候这些传感器会被用于测量相对位置,也偶然候用于测量绝对位置。过程控制、机械控制和运输控制许多都属于这类应用。   8. 总结    总的来说,无刷电源模块机相对传统的有刷电源模块机、感应电源模块机而言,它拥有高的转速/扭矩比、好动态特征、高服从、长寿命、低噪声、宽转速范围和制造容易等等精良特征。分外是去单位体积的功率输出特征使得其可以用于对尺寸和重量敏感的场合。这些精良的特征使得BLDC在工业控制领域、汽车工业、航空航天等等领域有着特别很是广泛的应用!    

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