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    無刷電機原理

    文章出處: 人氣:發表時間:2019-11-26 09:10

      直流無刷電機的控制結構 直流無刷電機的控制結構 電機 直流無刷電機是同步電機的一種,也就是說電機轉子的轉速受電機定子旋轉磁場的速度及轉子極數(P)影響: N=120.f / P。在轉子極數固定情況下,改變定子旋轉磁場的頻率就可以改變轉子的轉速。直流無刷電機即是將 同步電機加上電子式控制(驅動器),控制定子旋轉磁場的頻率并將電機轉子的轉速回授至控制中心反復校正,以 期達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載范圍內當負載變化時仍可以控制電機轉 子維持一定的轉速。 直流無刷驅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轉換器 (converter)轉成直流。 不論是直流電輸入或交流電輸入要轉入電機線圈前須先將直流電壓由換流器(inverter)轉成 3 相電壓來驅動電機。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電機線圈的開關??刂撇縿t提供 PWM(脈沖寬度調制)決定功率晶體管開關頻度及換流器 (inverter)換相的時機。直流無刷電機一般希望使用在當負載變動時速度可以穩定于設定值而不會變動太大的速度 控制,所以電機內部裝有能感應磁場的霍爾傳感器(hall-sensor),做為速度之閉回路控制,同時也做為相序控制的 依據。但這只是用來做為速度控制并不能拿來做為定位控制。 圖一 直流無刷電機的控制原理 直流無刷電機的控制原理 電機 要讓電機轉動起來,首先控制部就必須根據 hall-sensor 感應到的電機轉子目前所在位置,然后依照定子繞線決定 開啟(或關閉)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),使電流依序流經電機線圈產生順向(或逆向)旋轉磁場,并 與轉子的磁鐵相互作用,如此就能使電機順時/逆時轉動。當電機轉子轉動到 hall-sensor 感應出另一組信號的位 置時,控制部又再開啟下一組功率晶體管,如此循環電機就可以依同一方向繼續轉動直到控制部決定要電機轉子 停止則關閉功率晶體管(或只開下臂功率晶體管);要電機轉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的響應時間,所以功率晶體管在關與 開的交錯時間要將零件的響應時間考慮進去,否則當上臂(或下臂)尚未完全關閉,下臂(或上臂)就已開啟,結果就 造成上、下臂短路而使功率晶體管燒毀。 圖二 當電機轉動起來,控制部會再根據驅動器設定的速度及加/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……)開關導通,以及導通 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 是決定電機轉速快或慢的 方式, 如何產生這樣的 PWM 才是要達到較精準速度控制的核心。 高轉速的速度控制必須考慮到系統的 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、處理時機以及根據電機特性適當配置控制參數值就顯得非常重要?;蛘咚俣然貍鞲淖円?encoder 變 化為參考,使信號分辨率增加以期得到更佳的控制。電機能夠運轉順暢而且響應良好,P.I.D.控制的恰當與否也無 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在電機轉速距離目標速度還 差多少,這就是誤差(Error)。知道了誤差自然就要補償,方式有傳統的工程控制如 P.I.D.控制。但控制的狀態及 環境其實是復雜多變的,若要控制的堅固耐用則要考慮的因素恐怕不是傳統的工程控制能完全掌握,所以模糊控 制、專家系統及神經網絡也將被納入成為智能型 P.I.D.控制的重要理論。 P.I.D 控制簡介 一般 P.I.D 控制如下 (dutycycle)=(dutycycle)p + (dutycycle)i + (dutycycle)d P.控制(比例控制) :輸出與輸入誤差訊號成正比關系,即將誤差固定比例修正,但系統會有穩態誤差。 I .控制(積分控制) :當系統進入穩態有穩態誤差時,將誤差取時間的積分,即便誤差很小也能隨時間增加而加大, 使穩態誤差減小直到為零。 D.控制(微分控制):當系統在克服誤差時,其變化總是落后于誤差變化,表示系統存在較大慣性組件或(且)有滯后 組件。微分即是預測誤差變化的趨勢以便提前作用避免被控量嚴重沖過頭。 電機驅動器的保護措施 電機驅動器的保護措施 對于驅動器還要有保護措施,當負載過大或不當使用 時會造成大電流而將功率晶體管燒毀。為了保護因電 流超過規格而破壞驅動器,一般會以加大功率晶體管 耐電流或加電流 sensor 做為保護。其次當電機負載 不小的時候,在停止轉動時由電機端回送至驅動器的 能量及過電壓都將危及驅動器,這可配合過電壓保護 電路加上回生能量消散電路來防治。其它尚有 hall-sensor 正常與否判定也會影響 PWM 控制的正確 性,這可由控制部判斷并適時警告即可。 DC 無刷電機系列控制疑難雜癥處理案例 無刷電機 電機系列控制疑難雜癥處理案例 · 欲以電流值的大小來判斷目前電機的負載狀況是否 有過載的跡象,該如何測量? 將電源線的其中一條拔起后,將電表(請先調至安培檔)的一端接至驅動器的電源 CONNECTOR 其中一接腳, 另一端則接至電源插座的另一接腳,如此即可測量出在現階段的負載下所必須耗費的電流值,之后再依此電流值 來對照電機的電流/扭力對照表,如此即可得知目前的負載狀況是正?;蚴?否有過載的情形發生。 關鍵詞: 關鍵詞:無刷 直流電機 控制 MC33035 1 概述 MC33035 無刷直流電機控制器采用雙極性模擬工藝制造,可在任何惡劣的工業環境條件下保證高品質和高 穩定性。該控制器內含可用于正確整流時序的轉子位置譯碼器,以及可對傳感器的溫度進行補償的參考電平,同 時它還具有一個頻率可編程的鋸齒波振蕩器、一個誤差信號放大器、一個脈沖調制器比較器、三個集電極開路頂 端驅動輸出和三個非常適用于驅動功率場效應管(MOSFET)的大電流圖騰柱式底部輸出器。此外,MC33035 還有欠鎖定功能,同時帶有可選時間延遲鎖存關斷模式的逐周限流特性以及內部熱關斷等特性。其典型的電機控 制功能包括開環速度、正向或反向、以及運行使能等。 2 管腳排列及功能定義 MC33035 的管腳排列如圖 1 所示,各引腳功能定義見表 1。 表 1 MC33035 的管腳功能定義定 管腳編號 符 號 功能定義 三個集電極開路頂端驅動輸出,用于驅動外部上 1,2,24 BT,AT,CT 端功率開關晶體管 正向/反向輸入,用于改變電機轉向 3 Fwd/Rev 4,5,6 SA,SB,SC 三個傳感器輸入,用于控制整流序列 輸出使能,高電平有效。該腳為高電平時,可使 7 Ooutput Enable 電機轉動 此輸出為振蕩器定時電容 CT 提供充電電流,并 8 Reference Output 為誤差放大器提供參考電壓,也可以向傳感器提 供電源 電流檢測同向輸入。在一個給定的振蕩器周期 Current Sense Noninverting 9 Input 中, 一個相對于管腳 15 為 100mV 的信號可中止 輸出開關導通。通常此管腳連接到電流檢測的上 端 振蕩器引腳,振蕩頻率由定時元件 RT 和 CT 所 10 Oscillator 選擇的參數值決定 誤差信號放大器同向輸入。通常連接到速度設置 11 Error Amp Noninverting Input 電位器上 誤差信號放大器反向輸入。在開環應用情況下, 12 Error Amp Noninverting Input 此輸入通常連接到誤差放大器輸出端 誤差放大器輸出/PWM 輸入。 在閉環應用情況下, 13 Error Amp Out/PWM Input 此管腳用作補償 故障輸出端。當下列的任一或多個條件滿足時, 集電極開路輸出端被觸發而變為低;無效的傳感 14 Fault Output 器輸入碼, 電流檢測超過 100mV, 低電壓鎖定或 熱關斷 電流檢測反向輸入端。用于給內部 100mV 門限 15 Current Sense Inverting Input 電壓提供參考地,該管腳通常連接到電流檢測電 阻的底端 該管腳用于為控制電路提供一個分離的接地點, 16 Gnd 并可以作為參考返回到電源地 正電源。Vcc 在 10V~30V 的范圍內,控制器均 17 Vcc 可正常工作 底部驅動輸出的高端電壓是由該管腳提供的,它 18 Vc 的工作范圍從 10V~30V 這三個圖騰柱式底部驅動輸出被設計用于直接 CB,BB,AB 21 驅動外部底部功率開關晶體管 此管腳的電氣狀態可決定控制電路是工作在 60° 22 60° /120° Select (高電平狀態)還是 120°(低電平狀態)的傳感 器電氣相位輸入狀態下 輸出使能。該管腳為低時允許馬達運行,為高時 23 Brake 馬達運行停止 19,20, 表 2 三相六步換向器線 度 SA SB SC 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 120 度 SA SB SC 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 入 正向/反向 使能 電流 檢測 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 頂部驅協 AT BT CT 0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 輸 出 底部驅動 AB BB CB 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 V V 0 1 V V 1 0 V V 1 0 V V 1 0 V V 1 0 V V X X X X X X 0 1 X X X X 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 表中,V 表示六個有效傳感器或驅動組合中的一個,X 表示無關;輸入邏輯 0 定義為小于 85mV,邏輯 1 為 于 115mV 3 工作原理 MC33035 的內部結構框圖如圖 2 所示。 MC33035 內部的轉子位置譯碼器主要用于監控三個傳感器輸入,以便系統能夠正確提供高端和低端驅動輸入 的正確時序。傳感器輸入可直接與集電極開路型霍爾效應開關或者光電耦合器相連接。此外,該電路還內含上拉 電阻,其輸入與門限典型值為 2.2V 的 TTL 電平兼容。用 MC33035 系列產品控制的三相電機可在最常見的四種 傳感器相位下工作。MC33035 所提供的 60 度/120 度選擇可使 MC33035 很方便地控制具有 60 度、120 度、24 0 度或 300 度的傳感器相位電機。其三個傳感器輸入有八種可能的輸入編碼組合,其中六種是有效的轉子位置, 另外兩種編碼組合無效。通過六個有效輸入編碼可使譯碼器在使用 60 度電氣相位的窗口內分辨出電機轉子的位 置。表 2 所列是其線 直流無刷電機控制器的正向/反向輸出可通過翻轉定子繞組上的電壓來改變電機轉向。當輸入狀態 改變時,指定的傳感器輸入編碼將從高電平變為低電平,從而改變整流時序,以使電機改變旋轉方向。 電機通/斷控制可由輸出使能來實現,當該管腳開路時,連接到正電源的內置上拉電阻將會啟動頂部和底部驅 動輸出時序。而當該腳接地時,頂端驅動輸出將關閉,并將底部驅動強制為低,從而使電動機停轉。 MC33035 中的誤差放大器、振蕩器、脈沖寬度調制、電流限制電路、片內電壓參考、欠壓鎖定電路、驅動 輸出電路以及熱關斷等電路的工作原理及操作方法與其 它 同類芯片的方法基本類似,這里不多述。 4 實際控制電路 4.1 三相六步電機控制電路 圖 3 所示的三相應用電路是具有全波六步驅動的一個開環電機控制器的電路連接圖。其中的功率開關三極管 為達林頓 PNP 型,下部的功率開關三極管為 N 溝道功率 MOSFET。由于每個器件均含有一個寄生箝位二極管, 因而可以將定子電感能量返回的電源。其輸出能驅動三角型連接或星型連接的定子,如果使用分離電源,也能驅 動中線接地的 Y 型連接。 在任意給定的轉子位置,圖 3 所示的電路中都僅有一個頂部和底部功率開關(屬于不同的圖騰柱)有效。因 此,通過合理配置可使定子繞組的兩端從電源切換到地,并可使電流為雙向或全波。由于前沿尖峰通常在電流波 形中出現,并會導致限流錯誤。因此,可通過在電流檢測輸入處串聯一個 RC 濾波器來抑制類峰。同時,Rs 采用 低感型電阻也有助于減小尖峰。

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