無刷電機(jī)控制器的原理及其構(gòu)造
無刷直流電機(jī)由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成,是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。由于無刷直流電動(dòng)機(jī)是以自控式運(yùn)行的,所以不會(huì)像變頻調(diào)速下重載啟動(dòng)的同步電機(jī)那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動(dòng)繞組,也不會(huì)在負(fù)載突變時(shí)產(chǎn)生振蕩和失步。中小容量的無刷直流電動(dòng)機(jī)的永磁體,現(xiàn)在多采用高磁能級的稀土釹鐵硼(Nd-Fe-B)材料。因此,稀土永磁無刷電動(dòng)機(jī)的體積比同容量三相異步電動(dòng)機(jī)縮小了一個(gè)機(jī)座號。
工作原理
無刷直流電動(dòng)機(jī)是采用半導(dǎo)體開關(guān)器件來實(shí)現(xiàn)電子換向的,即用電子開關(guān)器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸式換向器和電刷。它具有可靠性高、無換向火花、機(jī)械噪聲低等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于高檔錄音座、錄像機(jī)、電子儀器及自動(dòng)化辦公設(shè)備中。
無刷直流電動(dòng)機(jī)由永磁體轉(zhuǎn)子、多極繞組定子、位置傳感器等組成。位置傳感按轉(zhuǎn)子位置的變化,沿著一定次序?qū)Χㄗ永@組的電流進(jìn)行換流(即檢測轉(zhuǎn)子磁極相對定子繞組的位置,并在確定的位置處產(chǎn)生位置傳感信號,經(jīng)信號轉(zhuǎn)換電路處理后去控制功率開關(guān)電路,按一定的邏輯關(guān)系進(jìn)行繞組電流切換)。定子繞組的工作電壓由位置傳感器輸出控制的電子開關(guān)電路提供。
位置傳感器有磁敏式、光電式和電磁式三種類型。
采用磁敏式位置傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī),其磁敏傳感器件(例如霍爾元件、磁敏二極管、磁敏詁極管、磁敏電阻器或?qū)S眉呻娐返?裝在定子組件上,用來檢測永磁體、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的磁場變化。
采用光電式位置傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī),在定子組件上按一定位置配置了光電傳感器件,轉(zhuǎn)子上裝有遮光板,光源為發(fā)光二極管或小燈泡。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí),由于遮光板的作用,定子上的光敏元器件將會(huì)按一定頻率間歇間生脈沖信號。
采用電磁式位置傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī),是在定子組件上安裝有電磁傳感器部件(例如耦合變壓器、接近開關(guān)、LC諧振電路等),當(dāng)永磁體轉(zhuǎn)子位置發(fā)生變化時(shí),電磁效應(yīng)將使電磁傳感器產(chǎn)生高頻調(diào)制信號(其幅值隨轉(zhuǎn)子位置而變化)。
結(jié)構(gòu)解析
結(jié)構(gòu)上,無刷電機(jī)和有刷電機(jī)有相似之處,也有轉(zhuǎn)子和定子,只不過和有刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)相反;有刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子是線圈繞組,和動(dòng)力輸出軸相連,定子是永磁磁鋼;無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子是永磁磁鋼,連同外殼一起和輸出軸相連,定子是繞組線圈,去掉了有刷電機(jī)用來交替變換電磁場的換向電刷,故稱之為無刷電機(jī)(Brushless motor),那現(xiàn)在就有問題了,沒有了電磁場的變換,如何讓無刷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)呢?
簡單而言,依靠改變輸入到無刷電機(jī)定子線圈上的電流波交變頻率和波形,在繞組線圈周圍形成一個(gè)繞電機(jī)幾何軸心旋轉(zhuǎn)的磁場,這個(gè)磁場驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子上的永磁磁鋼轉(zhuǎn)動(dòng),電機(jī)就轉(zhuǎn)起來了,電機(jī)的性能和磁鋼數(shù)量、磁鋼磁通強(qiáng)度、電機(jī)輸入電壓大小等因素有關(guān),更與無刷電機(jī)的控制性能有很大關(guān)系,因?yàn)檩斎氲氖侵绷麟?,電流需要電子調(diào)速器將其變成3相交流電,還需要從遙控器接收機(jī)那里接收控制信號,控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速,以滿足模型使用需要。 總的來說,無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)是比較簡單的,真正決定其使用性能的還是無刷電子調(diào)速器,好的電子調(diào)速器需要有單片機(jī)控制程序設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、復(fù)雜加工工藝等過程的總體控制,所以價(jià)格要比有刷電機(jī)高出很多。
相關(guān)對比
有刷電機(jī)缺點(diǎn)
(1)摩擦大,損耗大
老模友們在以前玩有刷電機(jī)的時(shí)候都碰到這個(gè)問題,那就是使用電機(jī)一段時(shí)間以后,需要打開電機(jī)來清理電機(jī)的碳刷,費(fèi)時(shí)費(fèi)力,維護(hù)強(qiáng)度不亞于來一次家庭大掃除。
(2)發(fā)熱大,壽命短
由于有刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)原因,電刷和換向器的接觸電阻很大,造成電機(jī)整體電阻較大,容易發(fā)熱,而永磁體是熱敏元件,如果溫度太高的話,磁鋼是會(huì)退磁的,使電機(jī)性能下降,影響有刷電機(jī)的壽命。
(3)效率低,輸出功率小
上面說到的有刷電機(jī)發(fā)熱問題,很大程度是因?yàn)殡娏髯龉υ陔姍C(jī)內(nèi)部電阻上了,所以電能有很大程度轉(zhuǎn)化為了熱能,所以有刷電機(jī)的輸出功率不大,效率也不高。
無刷電機(jī)優(yōu)點(diǎn)
(1)無電刷、低干擾
無刷電機(jī)去除了電刷,最直接的變化就是沒有了有刷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的電火花,這樣就極大減少了電火花對遙控?zé)o線電設(shè)備的干擾。
(2)噪音低,運(yùn)轉(zhuǎn)順暢
無刷電機(jī)沒有了電刷,運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)摩擦力大大減小,運(yùn)行順暢,噪音會(huì)低許多,這個(gè)優(yōu)點(diǎn)對于模型運(yùn)行穩(wěn)定性是一個(gè)巨大的支持。
(3)壽命長,低維護(hù)成本
少了電刷,無刷電機(jī)的磨損主要是在軸承上了,從機(jī)械角度看,無刷電機(jī)幾乎是一種免維護(hù)的電動(dòng)機(jī)了,必要的時(shí)候,只需做一些除塵維護(hù)即可。上下一比較,就知道無刷電機(jī)相對于有刷電機(jī)的優(yōu)勢在哪里了,但是萬事都不是絕對的,有刷電機(jī)低速扭力性能優(yōu)異、轉(zhuǎn)矩大等性能特點(diǎn)是無刷電機(jī)不可替代的,不過就無刷電機(jī)的使用方便性來看,隨著無刷控制器的成本下降趨勢和國內(nèi)外無刷技術(shù)的發(fā)展與市場競爭,無刷動(dòng)力系統(tǒng)正在高速的發(fā)展與普及階段,這也極大促進(jìn)了模型運(yùn)動(dòng)的發(fā)展。
其他區(qū)別
(1)適用范圍:
無刷電機(jī):通常被使用在控制要求比較高,轉(zhuǎn)速比較高的設(shè)備上,如航模,精密儀器儀表等對電機(jī)轉(zhuǎn)速控制嚴(yán)格,轉(zhuǎn)速達(dá)到很高的設(shè)備上。
碳刷電機(jī):通常動(dòng)力設(shè)備使用的都是有刷電機(jī),如吹風(fēng)機(jī)、工廠的電動(dòng)機(jī)、家用的抽油煙機(jī)等等,另外串激電機(jī)的轉(zhuǎn)速也能達(dá)到很高,但是由于碳刷的磨損,使用壽命不如無刷電機(jī)。
(2)使用壽命:
無刷電機(jī):通常使用壽命在幾萬小時(shí)這個(gè)數(shù)量級,但是由于軸承的不同無刷電機(jī)使用壽命也有很大不同。
碳刷電機(jī):通常有刷電機(jī)的連續(xù)工作壽命在幾百到1千多個(gè)小時(shí),到達(dá)使用極限就需要更換碳刷,不然很容易造成軸承的磨損。
(3)使用效果:
無刷電機(jī):通常是數(shù)字變頻控制,可控性強(qiáng),從每分鐘幾轉(zhuǎn),到每分鐘幾萬轉(zhuǎn)都可以很容易實(shí)現(xiàn)。
碳刷電機(jī):舊碳刷電機(jī)一般啟動(dòng)以后工作轉(zhuǎn)速恒定,調(diào)速不是很容易,串激電機(jī)也能達(dá)到20000轉(zhuǎn)/分,但是使用壽命會(huì)比較短。
(4)節(jié)能方面:
相對而言,無刷電機(jī)采用變頻技術(shù)控制的會(huì)比串激電機(jī)節(jié)能很多,最典型的就是變頻空調(diào)和冰箱。
(5)日后維修方面:
碳刷電機(jī)需要更換碳刷,如果更換不及時(shí)會(huì)造成電機(jī)的損壞,而無刷電機(jī),使用壽命很長,通常是有刷電機(jī)的10倍以上,但是壞了就需要更換電機(jī),但日常維護(hù)基本不需要。
(6)噪音方面與是否是有刷電機(jī)無關(guān),主要是看軸承和電機(jī)內(nèi)部組件的配合情況。
(7)模型無刷電機(jī)的參數(shù)指標(biāo),除了外形尺寸(外徑、長度、軸徑等)、重量、電壓范圍、空載電流、最大電流等參數(shù)外,還少不了一個(gè)重要指標(biāo)KV值,這個(gè)數(shù)值是無刷電機(jī)獨(dú)有的一個(gè)性能參數(shù),是判斷無刷電機(jī)性能特點(diǎn)的一個(gè)重要數(shù)據(jù)。
動(dòng)車采用的電機(jī)分有刷電機(jī)和無刷電機(jī)兩種,由于無刷電機(jī)具有噪聲低、壽命長的特點(diǎn),因而在電動(dòng)車中獲得比較廣泛應(yīng)用。無刷電機(jī)的控制器復(fù)雜
無刷電機(jī)用電子換向器代替了有刷電機(jī)的機(jī)械換向器,因而控制方法也就大不相同,復(fù)雜程度明顯提高。
無刷電機(jī)A、B、C三相繞組的輪流通電,完成換相要求,電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
電機(jī)的霍爾信號、轉(zhuǎn)把信號、過流檢測信號、剎車信號等都直接輸入給單片機(jī),由單片機(jī)進(jìn)行處理,并由單片機(jī)輸出電子換向器三個(gè)橋臂的前級驅(qū)動(dòng)信號,以控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn),因而單片機(jī)主控電路是無刷電機(jī)控制器的心臟部分。
霍爾信號檢測電路 :通過檢測無刷電機(jī)的控制器的霍爾信號,此信號來自輪轂電機(jī)的內(nèi)部,用于決定電機(jī)的換向時(shí)刻。
剎車信號電路 :
對于電動(dòng)自行車,當(dāng)手把剎車時(shí),單片機(jī)得到剎車信號,無刷電機(jī)控制器停止輸出控制信號,電機(jī)斷電,這稱為剎車斷電,對于有些無刷控制器,當(dāng)單片機(jī)得到剎車信號時(shí),則輸出控制信號,強(qiáng)制電機(jī)抱住,使電機(jī)不能轉(zhuǎn)動(dòng),這稱為電剎車。
當(dāng)BK信號端為低電平,則單片機(jī)第7 腳得到低電平剎車信號,通知無刷控制器完成剎車過程。當(dāng)HBK端為高電平時(shí),通過電阻R66、R81、R88及三極管VT20完成電平轉(zhuǎn)換,三極管VT20 的集電極變?yōu)榈碗娖?,單片機(jī)第7腳為低,通知無刷控制器完成剎車動(dòng)作。
電機(jī)線無刷電機(jī)控制器電機(jī)線有3根,稱為A、B、C相線,一般黃線為A相,藍(lán)線為B相,綠線為C相限速線國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電動(dòng)車的最高限速 為20km/h,因此各無刷電機(jī)控制器廠家生產(chǎn)的控制器出廠時(shí)都留有如圖7 中的D號線,當(dāng)插頭插上,則電動(dòng)車 限速為20km/h,符合國家標(biāo)準(zhǔn),如斷 開,則電動(dòng)車速度將大于20km/h,方 便用戶選擇。
剎車線剎車線連接到電動(dòng)車的把手開關(guān)上,當(dāng)剎車時(shí)開關(guān)動(dòng)作,剎車信號送入單片機(jī),執(zhí)行剎車斷電或剎車抱死動(dòng)作。
速度線速度線與電動(dòng)車儀表盤中的速度表相連,在無刷電機(jī)控制器內(nèi)它通過一限流電阻與電機(jī)的某一根相線相連。電機(jī)速度變化,反應(yīng)在電機(jī)相線中電流變化,則在速度線中電流也變化,反應(yīng)在儀表盤中就是速度的變化。
轉(zhuǎn)把線轉(zhuǎn)把線連接到電動(dòng)車轉(zhuǎn)把內(nèi)的霍爾上,轉(zhuǎn)把線有3根線,分別為電源正、電源負(fù)和信號線,一般紅線為電源正,黑線為電源負(fù),信號線為藍(lán)色。當(dāng)轉(zhuǎn)把轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),轉(zhuǎn)把內(nèi)磁鐵相對霍爾運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生由低到高的感應(yīng)電壓信號,該信號送入單片機(jī),執(zhí)行調(diào)速指令
電機(jī)霍爾線電機(jī)霍爾線與電機(jī)內(nèi)霍爾相連,以決定電機(jī)換相時(shí)刻。霍爾線有5根線:紅為正,黑為負(fù),其余3根線為3 個(gè)霍爾信號,這3根線與電機(jī)相連,必須次序正確,否則電機(jī)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn),有時(shí)需反復(fù)調(diào)換這3根線與電機(jī)相連次序,直到電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常。買一個(gè)速度盤,進(jìn)行觀察電車的速度。