无感无刷电机基础

无感无刷直流电机基础原理作者永夜极光技术探讨QQ542255641前言1.本文主要讲解无感无刷直流电机的基础原理部分，后续深入理解强烈推荐无感无刷电调设计全攻略2.如果发现我哪些内容讲错了，请加QQ不吝指正。永夜极光2017年2月1.无刷直流电机基础知识1.1三个基本定则搞电调不是设计电机,不要被无刷电机教材的磁路、磁导率、去磁曲线等术语吓倒，那些东西对搞电调的人来说，意义不大。对入门开发者来说，只需要记牢三个基本定则：左手定则，右手定则，右手螺旋定则。1.1.1左手定则--通电导体在磁场中受到力的作用导体受力方向1.伸开左手，使大拇指和其余四指垂直2.把手心面向N极，四指顺着电流的方向，那么大拇指所指方向就是导体受力方向。力的大小:F=BILsinθB为磁感应强度（单位T）I为电流大小（单位A）L为导体有效长度（单位m）F为力的大小（单位N），θ为：B和I的夹角。1.1.2.右手定则--导体切割磁感线,产生感应电动势电动势大小：E=vBLsinθv为导体的运动速度（单位m/s）B为磁感应强度（单位T）L为导体长度（单位m）θ为B和L的夹角。1.1.3.右手螺旋定则--通电螺线管能够产生磁场磁场方向1.右手握住通电螺线管2.使四指弯曲与电流方向一致3.大拇指所指的那一端就是通电螺旋管的N极。1.1.4.磁铁静止时的指向静止时,条形磁铁方向与磁场方向相同1.2电机基本概念电动机:电动机也叫马达,电动机是将电能转换成机械能的部件。转子:电动机工作时转动的部分。定子:电动机工作时不转动的部分。内转子电机:转子在定子内部外转子电机:转子在定子外部绕组:绕组就是定子或者转子上的线圈，通电后就会形成一定的磁场，从而推动转子旋转磁极结构:后文的磁极只标明了表面的磁极,省略了不起作用的磁极极数:N极,S级的总数,右图电机有6极极对数:一个南极(S极)，一个北极(N极)，算一对磁极极对数=级数÷2,右图电机有3极对机械角度:就是数学中的“空间几何角度”，恒等于360度。电角度:磁场每转过一对磁极,导体的电动势变化一个周期,定义一个周期为360°电角度。电角度=机械角度*极对数若电机有K对极,那么整个定子内圆有K*360°电角度,右图电机有4对极,因此一圈是360°机械角度,1440°电角度KV值:输入电压每增加1伏特，无刷电机空转转速增加值转速=KV*电压1.比如KV=1000,那么当输入电压10V时,空转转速就是10000rpm(rpm=转/分钟)2.同系列同外形尺寸的无刷电机，根据绕线匝数的多少，会表现出不同的KV特性。绕线匝数多的，KV值低，最高输出电流小，扭力大；绕线匝数少的，KV值高，最高输出电流大，扭力小。霍尔传感器:霍尔传感器感应磁场方向,并输出高低电平(”1”和”0”),根据霍尔传感器的输出值,就能确定转子的位置。开环:不将控制的结果反馈并影响系统闭环:将控制结果反馈并影响系统死点:转子在这些位置,电机无启动力矩,一般是转子磁场与定子磁场方向平行软启动:使PWM的占空比缓慢上升到设定值N,P:N槽数,P极数,这与电机的结构有关顿感:用手转动转子，可感觉到的一顿一顿的感觉转一周顿感的次数=N和P的最小公倍数。比如12N8P的电机，转一周将感受24次顿感。顿感强的电机与顿感弱的电机相比，启动起来费力一些无感无刷电机:无感指没有霍尔传感器,无刷指没有碳刷1.3内转子无刷直流电机的工作原理1.3.1转子(磁铁)受力情况分析i.转子磁场方向与外部磁场方向垂直通电螺旋管产生磁场,磁铁受到力的作用此时，转子所受的力矩最大(不是力最大),转子受力转动力矩公式(T=FLsinα),此时sinα=1,力矩最大ii.转子磁场方向与外部磁场方向平行此时,磁铁受力最大,力矩=0,转子不会转动力矩公式(T=FLsinα),此时sinα=0,力矩最小注意:N,S极可以调换位置,力不变,斥力变成引力iii.转子从垂直位置转到水平位置由于惯性,还会继续顺时针转动,此时改变电流方向,外部磁场方向变化了,转子就会继续顺时针转动。这样不断改变螺线管中的电流方向,那么转子就会不停转动,改变电流方向这个动作就叫换相。注意：何时换相只与转子的位置有关，而与转速无关。1.3.2.三相二极内转子电机结构实际电机绕组结构很复杂,这里只对最简单的三相两极电机原理进行分析,多极电机的原理是类似的。1.右图显示了定子绕组的联结方式（转子未画出），三个绕组以“Y”型的方式被联结在一起。整个电机就引出三根线A,B,C。2.当三根线A,B,C之间两两通电时，有6种情况，分别是AB,AC,BC,BA,CA,CB3.每次通电,根据1.1.4磁铁静止指向,转子的N极趋向于与外部合磁场方向平行1.3.3.转动原理注意：转子N极始终趋向于与合磁场方向平行。图(a)中,AB相通电，转子N极会往绿色箭头方向对齐，当转子到达图(a)中绿色箭头位置时，换相(改成AC相通电)，转子就会继续转动，并往图(b)中的绿色箭头方向对齐，当转子到达图(b)中箭头位置时，再次换相，改成BC相通电，依此类推。当外线圈完成6次换相后，内转子正好旋转一周（即360°）转一圈的换相次数为了保持电机转动,需要不断改变电流的方向,每完成一个电周期,需要换相6次,也就是每60°电角度要换相一次(注意是电角度,不是机械角度)2级电机:1圈=360°电角度,转一圈换相360÷60=6次4级电机:1圈=720°电角度,转一圈换相720÷60=12次正反转改变通电的顺序就能够实现正反转1.4.换相位置何时换相?换相的时候,力矩大小会突变,如果力矩波动过大,电动机就会抖动,为了减少抖动现象,就要让力矩平滑变化,因此换相的最佳位置:最大力矩处,落后30°电角度(电角度,不是机械角度!!!!)为什么在最大力矩处,落后30°电角度换相?因为每60°电角度换相一次,因此要让力矩最大点位于转子转动的中间时刻,那么在最大转矩处落后30°电角度的位置换相,换相后转子位置超前力矩最大处30°电角度,运行30°电角度后转矩最大,再运行30°电角度后换相,整个60°运行期间,转矩波动最小。转矩:力矩力矩最大位置:转子磁场方向与线圈合磁场方向垂直多种换相位置的转矩波动分析(1)如果在转矩为0时换相,那么每60°电角度的转矩的变化图像如下一个电周期换相6次,转矩变化图像如下(2)如果在最大转矩处换相,那么每60°电角度的转矩的变化图像如下一个电周期换相6次,转矩变化图像如下(3)如果在转矩最大处落后30°电角度换相(与磁场方向呈(90°机械角度-30°电角度)),那么每60°电角度的转矩的变化图如下一个电周期换相6次,转矩变化图像如下综上所述,在力矩最大处落后30°电角度换相,力矩波动最小注意:不要混淆机械角度和电角度假设是二级电机,那么换相时转子N极与磁场方向成90°机械角度-30°电角度(30°机械角度)=60°机械角度假设是四级电机,那么换相时转子N极与磁场方向成90°机械角度-30°电角度(15°机械角度)=75°机械角度1.5.获取转子位置我们知道了转子的最佳换相位置,但是只有知道转子的实际位置,再结合理论进行判断才能正确换相,如何知道转子的实际位置呢?有霍尔电机和无霍尔电机获取转子位置的方法并不同,有感无刷电机通过霍尔传感器获取位置,无感无刷电机有多种方法,常用反电动势法有霍尔电机获取转子位置的方法--读取霍尔值电机上装了3个霍尔传感器,根据不同的磁场强度,霍尔传感器的值为1(高电平),或0(低电平),如下图所示。3个霍尔传感器,共有2*2*2=8种组合000001010011100101110111其中000,和111是无效组合,剩下的6种组合,每种组合都确定了转子的一个位置无霍尔电机获取转子位置的方法--反电动势法反电动势法就是测量第三相的反电动势,因为在AB相通电时，A,B两相切割磁感线产生的反电动势方向不变,未通电的一相(CN)反电动势方向会改变,如下图所示反电动势:产生的感应电动势与外加电源的方向相反,所以叫反电动势C相电压Ec=CC’电动势+中点电压将中点电压与Ec电压在比较器中进行比较,比较器输出会在换相后30°电角度时发生跳变(高电平变低电平,或低电平变高电平),说明转子已转过30°电角度,到达了t0和t1中间的位置，只要再等30°就可以换相了。一个电周期(360°电角度),3相电机的电流和反电动势变化图1.6.换相策略与优化理论上比较器跳变之后30°电角度换相,问题是电机转过30°电角度到底要多久时间?实际上到底何时换相呢?方法一:认为电机匀速转动,记录AB通电到C相过零的时间t,后半段所需时间也是t方法二:检测到过零事件后，直接换相,此方法损失一点效率,但控制简单如何控制好换相时刻来提高电机效率?定子产生的任意方向磁场都可以被分解平行和垂直于转子磁场方向的,正交的磁场产生旋转力,平行的磁场产生对轴承的压力,因此,一个高效的无刷电机驱动的功能就是减少相互平行磁场,让相互正交的磁场最大化。矢量控制法通过上面的分析,我们发现每60°换相一次,效率依然很低,进一步提高效率的方法就是矢量控制法。固定的通电线圈产生固定的磁场方向，这完全由通过线圈的磁通大小和流经线圈的电流相互作用决定的。三组线圈产生的磁场形成一个合磁场,通过不断改变每相线圈的电流大小,从而改变合磁场的方向,让合磁场方向与转子磁场方向始终垂直,从而提高了效率。本攻略不详细说明矢量控制法,感兴趣的可以自行搜索。电机调速原理无刷直流电机的转速和电压是线性关系,由KV值可知,转速=KV*输入电压单片机并不能输出可调的直流电压，于是只好变通一下，用脉宽调制（PWM）方式来控制电机的输入电压,PWM占空比越高，等效电压就越高，转速越快一圈要换相多少次?每60°电角度换相一次2对极1圈有720°电角度,换相720÷60=12次4对极1圈有1440°电角度,换相1440÷60=24次1.7梯形波/方波无刷电机磁感应强度B的分布情况为什么反电动势波形是梯形波?这与无刷电机的磁感应分布强度有关梯形波无刷电机的磁感应强度现在来看一下内转子磁感应强度的分布(图1,与图2),定义磁感应强度方向向外为正0~A点，磁感应强度为零，然后开始线性增加AB段:磁感应强度不变B~180°:B点开始线性下降，到180°的时候下降到零。图1图2根据E=BLV,转子长度不变,在磁场内近似匀速转动,那么反电动势的波形也是梯形波方波无刷电机的磁感应强度不同的电机,A点位置不同。如果A非常接近0°的位置，上升和下降直线就会非常陡峭，“梯形波”就变成了“方波”。根据右手定则E=BLV的公式，在匀速转动下，各绕组产生的反电动势波形也呈方波。与此类似，“正弦波”电机就是一种磁感应强度呈正弦波图形分布的直流无刷电机，正弦波电机的绕组结构和梯形波电机不同，进而驱动方式也不同，需要用到矢量分析法1.8.一种近似分析模型之前的理论假设转子磁场的磁力线是垂直穿过绕组的导线的。但事实上，磁力线总是倾向于沿磁阻最小的路径前进，其实并不穿过导线，见下图。图1-21磁力线分布（摘自《IndustralBrushlessServomotors》）如果要分析这种情况下转子的受力情况，要用到复杂的磁链路分析理论。不过，事实上不用这么麻烦，实验证明，高深的磁链路分析方法所得到的结果，和我们上面假设磁力线穿过导线的分析方法所得到的结果，基本吻合。1.9反电动势检测与处理为什么AN和BN上产生的反电动势相加略小于电源电压(12V)?因为线圈绕组本身的等效电阻很小（约0.1欧左右），如果反电动势不大的话，端电压加载在线圈绕组等效电阻上，会产生巨大的电流，线圈非烧掉不可。t0时刻t1时刻假设在额定转速下AN和BN’各产生5.7V的反电动势，那么它们串联起来就产生11.4V的反电动势，那么加载在AB等效电阻上的电压就为12−11.4=0.6V，最终通过绕组AB的电流就是0.6/(2×0.1)=3A同理，CN之间也会产生5.7V的感生电动势；不同的是：在AB相通电期间，CN的感生电动势会整个换一个方向，也即所谓的“过零点”。由于中点电势值始终为6V，