无刷电机的原理和制作

Question

如题所述

Answer 1

直流无刷电机的工作原理
直流无刷电机以其高效、高响应速度和较大的启动转矩而受到青睐。这种电机能够在从零转速到额定转速的范围内提供恒定的转矩，而且不需要像传统的直流电机那样依赖碳刷和换向器。然而，碳刷和换向器在电机转动时会产生火花和碳粉，这不仅会损坏组件，也限制了其应用场景。
交流电机则没有这些问题，它们更加耐用且维护要求低，但为了达到与直流电机相当的性能，需要使用复杂的控制技术。随着半导体技术的发展，功率组件的切换频率大大提高，这使得驱动电机性能得到提升。同时，微处理器的速度也越来越快，能够实现对交流电机的精确控制，使其性能接近直流电机。
微处理机将控制电机所需的功能集成到芯片中，体积越来越小。例如，模拟/数字转换器（ADC）、脉冲宽度调制器（PWM）等都在其中。直流无刷电机通过电子方式控制交流电机的换相，从而获得类似直流电机的特性，同时避免了其结构上的缺陷。
直流无刷电机的控制结构
直流无刷电机是一种同步电机，其转速受定子旋转磁场速度和转子极数（P）的影响，即 N=120f/P。通过电子控制，可以改变定子旋转磁场的频率，从而调节转速。直流无刷电机将同步电机的转速反馈给控制中心，以实现对转速的闭环控制，保持转速稳定。
直流无刷驱动器包括电源部和控制部。电源部为电机提供三相电源，而控制部则根据需求调整输入电源的频率。电源部可以直接接受直流电（通常为24V）或交流电（110V/220V），如果是交流电，则需要先通过转换器转换为直流电。然后，通过换流器（inverter）将直流电压转换为3相电压以驱动电机。换流器通常由6个功率晶体管组成，分为上臂和下臂，用于控制电机线圈的通断。控制部提供PWM信号，以决定功率晶体管的开关频率和换流器的换相时机。
为了实现稳定的速度控制，电机内部装有霍尔传感器（hall-sensor），用于感应磁场并作为速度的闭环控制和相序控制的依据。然而，霍尔传感器主要用于速度控制，并不适用于定位控制。
控制原理
要让电机转动，控制部需要根据霍尔传感器感应到的转子位置，决定开启或关闭换流器中的功率晶体管。例如，首先开启上臂功率晶体管AH、BH、CH和下臂功率晶体管AL、BL、CL，以产生旋转磁场并与转子磁铁相互作用，从而使电机顺时针或逆时针转动。当转子转动到霍尔传感器感应到的新位置时，控制部会再次开启下一组功率晶体管，电机 thus continues to rotate in the same direction until the control unit decides to stop it by closing the power transistors (or just opening the lower arm transistors); to reverse the direction, the order of the power transistors opening is reversed.
PWM是控制电机转速快慢的关键，它决定了电机转速。精确的速度控制需要考虑系统的时钟分辨率、霍尔传感器信号变化的读取方式，以及根据电机特性设置控制参数。低速控制尤其关键，因为转子速度慢，信号变化更慢，如何准确捕捉信号、处理时机以及配置控制参数至关重要。
电机能够平稳运行且响应良好，P.I.D.控制的恰当与否也至关重要。在闭环控制中，霍尔传感器提供的反馈信号告诉控制单元当前电机转速与目标速度之间的差距，即误差。了解误差后，需要进行补偿，传统的工程控制如P.I.D.控制是其中一种方式。但随着控制环境和状态的复杂性增加，传统的P.I.D.控制可能不足以应对所有情况，因此模糊控制、专家系统及神经网络等智能控制理论也被纳入，以实现更坚固耐用的智能型P.I.D.控制。