【導(dǎo)讀】直流電機(jī)控制器是用于管理直流電機(jī)運(yùn)行的特殊電子設(shè)備。所有直流電機(jī)都需要控制器嗎?一點(diǎn)也不。讓我們弄清楚哪些直流電機(jī)使用它以及用于什么目的。
直流電機(jī)控制器是用于管理直流電機(jī)運(yùn)行的特殊電子設(shè)備。所有直流電機(jī)都需要控制器嗎?一點(diǎn)也不。讓我們弄清楚哪些直流電機(jī)使用它以及用于什么目的。
在本文中,我們將研究兩種類型的直流電機(jī):有刷直流 (BDC) 和無刷直流 (BLDC) 電機(jī)。兩種類型都使用控制器,可以啟動和停止電機(jī),調(diào)節(jié)其速度和扭矩,以及執(zhí)行其他功能。然而,控制器對于 BLDC 電機(jī)更為重要,因?yàn)樗菗Q向過程的一部分,對于所有由直流電供電的電機(jī)都至關(guān)重要。在這里,您將了解有關(guān)有刷和無刷直流電機(jī)及其控制系統(tǒng)之間的差異的更多信息。
BDC 和 BLDC 電機(jī)和控制器概述
要創(chuàng)建直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn),您需要切換或換向施加到電機(jī)的電流,并改變電機(jī)繞線組件周圍產(chǎn)生的磁場的極性。
在BDC電機(jī)中,電流流過轉(zhuǎn)子的繞組,而其定子可以有繞組(串聯(lián),并聯(lián),復(fù)合BDC電機(jī))或永磁體(永磁BDC電機(jī))。電機(jī)的運(yùn)動取決于圍繞這兩個(gè)組件產(chǎn)生的磁場的相互作用。因此,它們的帶相反電荷的場吸引并且類似的帶電場相互排斥。
BDC電機(jī)的另一個(gè)關(guān)鍵元件是換向器,它切換電流的極性,并通過稱為電刷的電觸點(diǎn)將其施加到轉(zhuǎn)子的繞組上。
BLDC 電機(jī)還有一個(gè)轉(zhuǎn)子和一個(gè)定子,但與有刷電機(jī)不同,電流流過定子的繞組。由永磁體制成的轉(zhuǎn)子可以位于電機(jī)內(nèi)部(內(nèi)轉(zhuǎn)子BLDC 電機(jī))或外部(外轉(zhuǎn)子BLDC 電機(jī))。
BLDC 電機(jī)沒有換向器或電刷等機(jī)械部件,因?yàn)檫@里的換向是由控制器驅(qū)動的電子過程。通過估計(jì)轉(zhuǎn)子的位置,控制器決定何時(shí)切換電流以及為哪個(gè)定子繞組通電。因此,控制器對于無刷電機(jī)的運(yùn)行至關(guān)重要。
除此之外,BDC 和 BLDC 電機(jī)控制器具有相同的功能;它們可以啟動和制動電機(jī),反轉(zhuǎn)其旋轉(zhuǎn)并控制其速度和扭矩。
有刷和無刷直流電機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)
有刷和無刷直流電機(jī)都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),定義了它們的應(yīng)用領(lǐng)域。例如,BLDC 電機(jī)具有更小、更輕的結(jié)構(gòu),對其效率沒有影響。這就是為什么它廣泛用于不同尺寸的便攜式電子產(chǎn)品和無線設(shè)備的原因。
與機(jī)械換向器相比,BLDC 電機(jī)控制器以更高的頻率切換電流。這使電機(jī)能夠保持高扭矩并在低速和高速下平穩(wěn)運(yùn)行??煽啃院偷途S護(hù)也是 BLDC 電機(jī)的強(qiáng)項(xiàng)之一。因此,其適用范圍可能包括其在以下方面的使用:
電動車;
無人駕駛飛行器;
家用電子產(chǎn)品;
工業(yè)機(jī)器人。
在某些應(yīng)用中,BDC 電機(jī)已經(jīng)讓位于無刷電機(jī)。事實(shí)上,機(jī)械換向效率較低,通常會導(dǎo)致功率損耗。電流切換期間產(chǎn)生的火花會導(dǎo)致高水平的電子噪聲。此外,刷子需要定期維護(hù)和/或更換。
盡管存在所有這些缺點(diǎn),BDC電機(jī)在注重簡單性和成本效益的低功耗系統(tǒng)和應(yīng)用中仍然很受歡迎。它們可以在遙控玩具、簡單的家用、工業(yè)和汽車電器中找到。
BDC 電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)比 BLDC 控制器更簡單,因?yàn)闆]有復(fù)雜的電子元件和算法,在某些情況下使其成為更具吸引力的選擇。因此,讓我們看看構(gòu)建這些設(shè)備中的每一個(gè)需要什么。
構(gòu)建 BDC 電機(jī)控制器
在構(gòu)建直流電機(jī)控制器之前,應(yīng)指定技術(shù)要求并選擇特定類型的設(shè)備??刂破鞯奶匦园ǖ幌抻冢?/p>
功率調(diào)節(jié)
為了調(diào)節(jié)速度或扭矩,BDC 控制器會增加或減少提供給電機(jī)的功率。線性穩(wěn)壓器允許控制器在電機(jī)的整個(gè)工作周期內(nèi)施加恒定電壓。
這種類型的調(diào)節(jié)通常不再用于現(xiàn)代控制器,因?yàn)樗鼈冎饕蕾囉诰哂忻}寬調(diào)制(PWM)的開關(guān)穩(wěn)壓器。這種方法允許控制器通過脈沖供電來改變電壓和電流水平。
控制類型
簡單的系統(tǒng)使用直流電機(jī)控制器來調(diào)節(jié)電機(jī)的運(yùn)行,而無需獲得任何反饋。因此,開環(huán)控制器無法校正電機(jī)的參數(shù)。
相反,閉環(huán)直流電機(jī)控制器可以接收來自電機(jī)的反饋并根據(jù)需要調(diào)節(jié)其速度、旋轉(zhuǎn)方向和其他參數(shù)。
直流電機(jī)控制器的其他特性包括電機(jī)的功率和工作電壓。為確保電機(jī)及其控制器的可靠性,您應(yīng)該了解電機(jī)正常運(yùn)行所需的電源和電壓水平。因此,您可以在低壓和高壓以及功率的電機(jī)控制器之間進(jìn)行選擇。
如上所述,大多數(shù)有刷電機(jī)使用PWM控制器。此類器件具有一個(gè)帶有兩個(gè)高邊和兩個(gè)低邊開關(guān)的H橋電路。例如,當(dāng)電機(jī)需要加速時(shí),控制器會增加占空比(脈沖與脈沖周期的比值)。修改后的PWM信號到達(dá)柵極驅(qū)動器,這些驅(qū)動器打開晶體管的時(shí)間更長,并允許更多的電流進(jìn)入。
要沿一個(gè)方向旋轉(zhuǎn) BDC 電機(jī),控制器打開對角線上的 H 橋開關(guān)。開關(guān)過程總是有一些延遲,因此在反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)時(shí),所有四個(gè)晶體管都可能打開。為了防止電機(jī)出現(xiàn)電壓和電流泄漏,您可以增加死區(qū)時(shí)間,使控制器保持所有晶體管閉合和依次打開。
要實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制電路,可以使用位置傳感器。控制器將讀取傳感器發(fā)送的信號并做出相應(yīng)的反應(yīng)。在我們的一個(gè)項(xiàng)目中,我們創(chuàng)建了一個(gè)可編程直流電機(jī)控制器,既可以作為閉環(huán)系統(tǒng),也可以作為開環(huán)系統(tǒng)工作。為了接收電機(jī)的反饋,我們增加了一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器來監(jiān)控電機(jī)的狀況。
構(gòu)建帶有反饋的直流電機(jī)控制器時(shí),您應(yīng)該注意微控制器的功能。MCU 應(yīng):
覆蓋傳感器信號的頻率范圍;
具有必要的信號處理速率;
有足夠的內(nèi)存和閃存容量;
如果傳感器是模擬傳感器,則具有模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。
構(gòu)建 BLDC 電機(jī)控制器
BLDC 電機(jī)控制器使用半 H 橋電路的晶體管切換電流。晶體管的數(shù)量取決于控制器激勵的相數(shù)或繞組數(shù)。三相無刷直流電機(jī)控制器(最常見的配置之一)需要三個(gè)半H橋,即每相一個(gè)高邊和一個(gè)低邊開關(guān)。
接收到MCU信號后,柵極驅(qū)動器打開晶體管并向定子繞組提供電流。要在相位之間切換,控制器需要知道轉(zhuǎn)子的位置。有兩種方法可以檢測它:
安裝位置傳感器并使用其測量值;
感測定子繞組中隨轉(zhuǎn)子運(yùn)動一起產(chǎn)生的反電動勢(反電動勢)。
第一種方法更簡單,但傳感器需要定期維護(hù)(例如,光學(xué)傳感器容易產(chǎn)生灰塵)。此外,您還必須添加更多電線,這使電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。第二種解決方案在硬件級別更簡單,但可能需要復(fù)雜的算法開發(fā)。重要的是,只有當(dāng)轉(zhuǎn)子移動時(shí),您才能感應(yīng)回電動勢。
根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn),當(dāng)傳感器與反電動勢傳感方法一起使用時(shí),定位精度會提高。
檢測到轉(zhuǎn)子位置后,BLDC 電機(jī)控制器會切換電流,并將其作為梯形或正弦波形應(yīng)用于不同的相位。
梯形換向的實(shí)現(xiàn)更簡單,但是,它可能在低速時(shí)引起轉(zhuǎn)矩脈動,并且只有在電機(jī)加快速度時(shí)才變得平穩(wěn)。正弦直流無刷電機(jī)控制器主要依靠脈寬調(diào)制來產(chǎn)生正弦波。這種方法可在低速時(shí)提供平滑切換,但很難在高頻下構(gòu)建正弦波。
大多數(shù)無刷電機(jī)都有閉環(huán)控制器,這些控制器使用位置傳感器和特殊算法來接收來自電機(jī)的反饋并做出響應(yīng)。其中一種算法是比例-積分-微分 (PID) 算法,廣泛用于 BLDC 和 BDC 電機(jī)控制器的反饋系統(tǒng)。
PID算法處理當(dāng)前電機(jī)的參數(shù),并將其與參考值進(jìn)行比較。根據(jù)這些數(shù)據(jù),它調(diào)整輸出信號的頻率,控制器相應(yīng)地調(diào)節(jié)速度。
結(jié)論
直流電機(jī)在各個(gè)行業(yè)中的需求量很大。在某些應(yīng)用中可互換,BDC 和 BLDC 電機(jī)仍然有其利基市場。例如,有刷電機(jī)的低成本和簡單性使其成為日常使用的電子設(shè)備的合適選擇。電子換向 BLDC 電機(jī)可在不同功率的應(yīng)用中提供可靠性和高效的速度控制。
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