原题为“电动车直流无刷电机控制器的设计”,写完题目就后悔了,根本不是我能驾驭的。于是加了“一次”。
首先用我能组织的最简单的语言,讲讲直流无刷电机的原理。
无刷电机的转子为永久磁铁,定子为电磁铁。转子本身具有一磁场,通电后,定子也产生一磁场。同性相吸,异性相斥,当两个磁场互成90度时,产生最大转矩,推动转子转动。如果要保持这个转矩,让转动持续下去,就要时刻保持两磁场互相垂直,因此会采用一定手段测量转子磁场当前的所指的角度,并相应改变定子磁场的角度。
定子磁场角度的改变,是靠调节定子各个绕组的电流实现的。定子虽然不能移动,但是可以令各个绕组互成一定角度,利用矢量叠加原理,将多个单向的磁场合成一个在平面内可以旋转的磁场。
此处应有配图,但考虑到时至今日网络如此发达,在谷歌搜索一下“矢量磁场合成”即可获得大量演示图片,故省略。
无刷直流电机,属于交流电机的一种,由于其内部绕组电流变化与直流电机类似,故称为直流无刷电机。
综上所述,一个无刷电机控制器要完成如下任务:
1)测量转子磁场当前所指的角度。
2)调节各个定子绕组的电流,以合成与转子磁场互成90度的磁场,产生转矩。
市面上绝大多数电动自行车所采用的无刷电机,采用3相Y型联接的定子绕组,并采用霍尔开关元件作为角度反馈。
霍尔开关元件:固定在电机内,当转子磁铁经过此元件上方时,可根据磁铁极性的正负(南北),输出高或者低的逻辑电平信号。通过在电机内合适的位置安装这些元件,可以粗略地测量转子磁场目前所指的方向。目前商品电机采用3个霍尔开关,更详细信息请搜索“霍尔元件测量相位”。
定子电流:通常是通过调节施加在绕组上的电压来控制的。3相Y型联接的绕组有三条输入线,分别接到3个半桥的桥臂上。这样一来,加在某两条线之间的电压可以是正或者负的电源电压,而流过的电流的方向也就是可以改变的。
与其他交流电机不同,直流无刷电机在同一时刻只有两条线需要接电源,第三条线悬空。因此对于3个半桥,在同一时刻我们只控制其中两个半桥,而令第三个半桥上下管都关断,呈现高阻。当旋转过一定角度后,霍尔元件状态改变,绕组通电方向也应随即发生改变,这一过程称为换相。
此处应有配图,请搜索“三相桥 无刷”。
直流无刷电机的特点:和直流有刷电机一样,可以使用电压模式(PWM)控制,电压不变时转矩随速度增加而线性下降。
此外,由于霍尔元件输出数字逻辑信号,而三相桥驱动的输入也是数字逻辑型号,中间的控制电路就是数字逻辑电路,因此其组成可以非常简单,使用74逻辑IC即可搭建,也有成品如MC33035等IC可以实现所需功能。这一切使得无刷电机得到大规模应用。关于输入和输出的逻辑关系,请搜索“无刷 换相表”。
CPU风扇就是无刷电机。
商品电动车控制器多使用微控制器(单片机)作为控制单元,因为相比其他分立数模电路而言,单片机可以以更低的成本处理更加复杂的输入,进行更复杂的逻辑与数学运算,产生更加复杂的输出,提供更多的功能。相对的,如果只是需要转动(例如CPU风扇),则控制电路可以极简。
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