電動車無刷電機的工作原理

【專家解說】：直流無刷電機的工作原理 直流無刷電機的優(yōu)越性 直流電機具有響應(yīng)快速、較大的起動轉(zhuǎn)矩、從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能，但直流電機的優(yōu)點也正是它的缺點，因為直流電機要產(chǎn)生額定負(fù)載下恒定轉(zhuǎn)矩的性能，則電樞磁場與轉(zhuǎn)子磁場須恒維持90°，這就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在電機轉(zhuǎn)動時會產(chǎn)生火花、碳粉因此除了會造成組件損壞之外，使用場合也受到限制。交流電機沒有碳刷及整流子，免維護、堅固、應(yīng)用廣，但特性上若要達(dá)到相當(dāng)于直流電機的性能須用復(fù)雜控制技術(shù)才能達(dá)到。現(xiàn)今半導(dǎo)體發(fā)展迅速功率組件切換頻率加快許多，提升驅(qū)動電機的性能。微處理機速度亦越來越快，可實現(xiàn)將交流電機控制置于一旋轉(zhuǎn)的兩軸直交坐標(biāo)系統(tǒng)中，適當(dāng)控制交流電機在兩軸電流分量，達(dá)到類似直流電機控制并有與直流電機相當(dāng)?shù)男阅堋? 此外已有很多微處理機將控制電機必需的功能做在芯片中，而且體積越來越?。幌衲M/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Analog-to-digital converter，ADC)、脈沖寬度調(diào)制(pulse wide modulator，PWM)…等。直流無刷電機即是以電子方式控制交流電機換相，得到類似直流電機特性又沒有直流電機機構(gòu)上缺失的一種應(yīng)用。 直流無刷電機的控制結(jié)構(gòu) 直流無刷電機是同步電機的一種，也就是說電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受電機定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度及轉(zhuǎn)子極數(shù)(P)影響： N=120．f / P。在轉(zhuǎn)子極數(shù)固定情況下，改變定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。直流無刷電機即是將同步電機加上電子式控制(驅(qū)動器)，控制定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率并將電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速回授至控制中心反復(fù)校正，以期達(dá)到接近直流電機特性的方式。也就是說直流無刷電機能夠在額定負(fù)載范圍內(nèi)當(dāng)負(fù)載變化時仍可以控制電機轉(zhuǎn)子維持一定的轉(zhuǎn)速。 直流無刷驅(qū)動器包括電源部及控制部如圖 (1) ：電源部提供三相電源給電機，控制部則依需求轉(zhuǎn)換輸入電源頻率。 電源部可以直接以直流電輸入(一般為24V)或以交流電輸入(110V/220 V)，如果輸入是交流電就得先經(jīng)轉(zhuǎn)換器(converter)轉(zhuǎn)成直流。不論是直流電輸入或交流電輸入要轉(zhuǎn)入電機線圈前須先將直流電壓由換流器(inverter)轉(zhuǎn)成3相電壓來驅(qū)動電機。換流器(inverter)一般由6個功率晶體管(Q1～Q6)分為上臂(Q1、Q3、Q5)/下臂(Q2、Q4、Q6)連接電機作為控制流經(jīng)電機線圈的開關(guān)?？刂撇縿t提供PWM(脈沖寬度調(diào)制)決定功率晶體管開關(guān)頻度及換流器(inverter)換相的時機。直流無刷電機一般希望使用在當(dāng)負(fù)載變動時速度可以穩(wěn)定于設(shè)定值而不會變動太大的速度控制，所以電機內(nèi)部裝有能感應(yīng)磁場的霍爾傳感器(hall-sensor)，做為速度之閉回路控制，同時也做為相序控制的依據(jù)。但這只是用來做為速度控制并不能拿來做為定位控制。 此主題相關(guān)圖片如下： 直流無刷電機的控制原理 要讓電機轉(zhuǎn)動起來，首先控制部就必須根據(jù)hall-sensor感應(yīng)到的電機轉(zhuǎn)子目前所在位置，然后依照定子繞線決定開啟(或關(guān)閉)換流器(inverter)中功率晶體管的順序，如 下（圖二） inverter中之AH、BH、CH(這些稱為上臂功率晶體管)及AL、BL、CL(這些稱為下臂功率晶體管)，使電流依序流經(jīng)電機線圈產(chǎn)生順向(或逆向)旋轉(zhuǎn)磁場，并與轉(zhuǎn)子的磁鐵相互作用，如此就能使電機順時/逆時轉(zhuǎn)動。當(dāng)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到hall-sensor感應(yīng)出另一組信號的位置時，控制部又再開啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)電機就可以依同一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動直到控制部決定要電機轉(zhuǎn)子停止則關(guān)閉功率晶體管(或只開下臂功率晶體管)；要電機轉(zhuǎn)子反向則功率晶體管開啟順序相反。 基本上功率晶體管的開法可舉例如下： AH、BL一組→AH、CL一組→BH、CL一組→BH、AL一組→CH、AL一組→CH、BL一組， 但絕不能開成AH、AL或BH、BL或CH、CL。此外因為電子零件總有開關(guān)的響應(yīng)時間，所以功率晶體管在關(guān)與開的交錯時間要將零件的響應(yīng)時間考慮進去，否則當(dāng)上臂(或下臂)尚未完全關(guān)閉，下臂(或上臂)就已開啟，結(jié)果就造成上、下臂短路而使功率晶體管燒毀。 此主題相關(guān)圖片如下： 當(dāng)電機轉(zhuǎn)動起來，控制部會再根據(jù)驅(qū)動器設(shè)定的速度及加/減速率所組成的命令(Command)與hall-sensor信號變化的速度加以比對(或由軟件運算)再來決定由下一組(AH、BL或AH、CL或BH、CL或……)開關(guān)導(dǎo)通，以及導(dǎo)通時間長短。速度不夠則開長，速度過頭則減短，此部份工作就由PWM來完成。PWM是決定電機轉(zhuǎn)速快或慢的方式，如何產(chǎn)生這樣的PWM才是要達(dá)到較精準(zhǔn)速度控制的核心。高轉(zhuǎn)速的速度控制必須考慮到系統(tǒng)的CLOCK 分辨率是否足以掌握處理軟件指令的時間，另外對于hall-sensor信號變化的資料存取方式也影響到處理器效能與判定正確性、實時性。至于低轉(zhuǎn)速的速度控制尤其是低速起動則因為回傳的hall-sensor信號變化變得更慢，怎樣擷取信號方式、處理時機以及根據(jù)電機特性適當(dāng)配置控制參數(shù)值就顯得非常重要。或者速度回傳改變以encoder變化為參考，使信號分辨率增加以期得到更佳的控制。電機能夠運轉(zhuǎn)順暢而且響應(yīng)良好，P.I.D.控制的恰當(dāng)與否也無法忽視。之前提到直流無刷電機是閉回路控制，因此回授信號就等于是告訴控制部現(xiàn)在電機轉(zhuǎn)速距離目標(biāo)速度還差多少，這就是誤差(Error)。知道了誤差自然就要補償，方式有傳統(tǒng)的工程控制如P.I.D.控制。但控制的狀態(tài)及環(huán)境其實是復(fù)雜多變的，若要控制的堅固耐用則要考慮的因素恐怕不是傳統(tǒng)的工程控制能完全掌握，所以模糊控制、專家系統(tǒng)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也將被納入成為智能型P.I.D.控制的重要理論。