【《直流无刷电机的驱动原理分析》2500字】

直流无刷电机的驱动原理分析目录TOC\o"1-3"\h\u21090直流无刷电机的驱动原理分析 1139411.1驱动原理 1211621.2霍尔传感器控制模式 3204001.3直流无刷电机速度控制原理 61.1驱动原理直流无刷电机的逻辑结构图1.1逻辑结构图1.2简化逻辑结构根据直流无刷电机的工作原理，我们对三个线圈中任意两个线圈通电流此时通电线圈产生的磁场满足磁场的矢量合成原则。图1.3单向合成磁场所以通过对线圈有规律的通电我们可以产生旋转磁场。图1.4合成旋转磁场由此就可以对驱动方案作初步的设计，根据转子磁极位置对定子线圈进行换向通电而形成6步的旋转磁场进而带动转子同步转动。上图为六步控制的演示过程，假设BLDC额定电压为24V，电机三根线为A、B、C。则：=1\*GB2⑴A接24V、B悬空、C接GND，此时电机转轴固定于某一位置；=2\*GB2⑵在（1）的基础上，改变接线方式，A接24V、B接GND、C悬空，此时电机将旋转一定角度；=3\*GB2⑶在（2）的基础上，改变接线方式，A悬空、B接GND、C接24V，此时电机将在（2）的基础上继续旋转一定角度；=4\*GB2⑷在（3）的基础上，改变接线方式，A接GND、B悬空、C接24V，此时电机将在（3）的基础上继续旋转一定角度；=5\*GB2⑸在（4）的基础上，改变接线方式，A接GND、B接24V、C悬空，此时电机将在（4）的基础上继续旋转一定角度；=6\*GB2⑹在（5）的基础上，改变接线方式，A悬空、B接24V、C接GND，此时电机将在（5）的基础上继续旋转一定角度。1.2霍尔传感器控制模式霍尔效应传感器是一种广泛使用的传感器，它向电机控制器提供转子位置反馈。无刷直流电动机控制器向转子磁铁提供矩形波形（电压），并产生驱动电机的磁场。转子的速度和位置在电机换向中的重要性。无刷直流电机的换向是一个6步的过程。一个3相H桥用于创建6个流向，每个流向导致电机旋转60度（对应于下一个位置），从而实现360度的完整旋转。为了移动电机，电机控制器通过定子的线圈发送电流。这就产生了磁场，反过来在转子（永磁体）上产生了扭矩。因此，转子开始移动。现在，如果转子到达正在移动它的磁场附近，由于极性改变，转子将趋于停止。在这种情况下，磁场将开始吸引转子并停止运动。为了避免这种情况，电机控制系统会切换提供给定子的电流，从而产生一个新的磁场，转子继续运动。因此，换向的过程就是在正确的场合切换电流。需要一个传感器来向电机控制系统提供反馈，指示转子何时达到所需的位置。如果换向的速度比转子的速度快或慢，磁铁就会与定子的磁场不同步。这导致转子振动和停止，而不是旋转。一次换向后，必须确定转子相对于定子的位置，以便启动下一次换向。因此，位置检测也是一个关键参数。在电动机行业有许多类型的传感器，如编码器、开关和电位器。然而，最广泛使用和部署的传感器是霍尔效应传感器。霍尔效应传感器本质上是一种基于霍尔效应原理的传感器。当电流在一个方向流动的导体或半导体被引入垂直于磁场的方向时，得到一个可测量的电压，这种效果被称为霍尔效应。更简单地说，当磁场以垂直于电流流动的方向施加于电导体时，电导体上会产生一个电压。霍尔效应传感器是一种固态设备，它应用这一原理来确定有效运行无刷直流电动机所需的位置、速度和各种其他属性。在任何时候都有一个小数值的电流通过霍尔条。如前所述，来自该转子磁铁的交变磁场将在霍尔条上产生一个电压。然后，该电压被送入数字电路，反过来，它给出了一个数字信号作为霍尔效应传感器的输出。通常情况下，无刷直流电机的转子或定子上会安装三个霍尔效应传感器。这些霍尔传感器彼此相距120度，提供0至360度的角度位置。当转子磁铁穿过其中一个传感器时，它会产生一个低信号或高信号，这取决于是转子的北极还是南极通过。当转子穿过所有三个传感器时，这些传感器在低电平和高电平之间切换，从而每隔60度给出转子的位置。在无刷直流电机控制器中使用霍尔效应传感器的优点：霍尔效应传感器是一个由磁铁组成的非常简单的设备，因此，对于电机控制系统来说，非常具有成本效益。出于同样的原因，这些传感器很容易在电动车和其他汽车解决方案的先进电机控制系统中实现。大多数无刷直流电机都配备了这些传感器。霍尔效应传感器对环境条件，如湿度、温度、灰尘和振动大多是免疫的。包裹它一个无刷直流电动机控制系统内部有很多事情要做。有FOC算法、H桥电路、高效换向等。在无刷直流电动机控制系统内的众多组件中，一个非常小的、不起眼的传感器--霍尔效应传感器，让人感到它的存在。由于成本效益高且易于实施，这些传感器使新时代的无刷直流电动机控制解决方案在汽车行业中更加高效和易于部署。这里以具体实例来实现6步换向控制。当霍尔在和电机转子做相对运动时，会随着转子磁密度的变化，产生变化的信号。图1.5霍尔效应原理安装霍尔元件：图1.6120°霍尔安装方式本设计采用二二导通方式，每一瞬间有两个功率管导通，每隔六分之一周期（60°电角度）换向。换向发生在桥臂左右之间，每个功率管导通120°电角度。二二导通方式转矩特性优，电机出力较大，同时又不会发生功率管直通短路的现象。这也是我们选择安装霍尔元件为此种方式的原因。霍尔信号变化：图1.7霍尔信号随转子磁密变化图1.8霍尔信号时序图1.3直流无刷电机速度控制原理PWM基本原理：脉冲宽度调制，晶体管的基极或栅极MOS偏置电压根据负载变化进行调整，以改变晶体管或MOS的开启时间，实现开关稳压器输出的变化。本设计利用PWM调节电枢电压，将晶体管工作在开关状态，根据具体需求，按一个固定的频率改变通断时间。图1.9占空比调速原理电机转速最大为VMAX。设占空比为：(3-1)电机平均速度：(3-2)根据公式，只需改变占空比就可以改变平均速度，从而达到调速目的。占空比表示在一个固定周期T里导通时间的占比，变化范围0-1。在外部电源不变的情况下(VMAX不变)，平均输出电压值（Vd）取决于占空比的大小，改变占空比也就是改变平均输出电压值，就能达到控制电机转速的目的，这就是PWM调速。占空比D的大小由T和t两个数大小确定，所以改变D的大小有下述几种方法：定宽调频法（固定t，改变T）、定频调宽法（固定T，改变t）和调宽调频法（T、t