实现无刷直流电机换相的更好方法

2019年3月12日 Jason Kelly

实现无刷直流电机换相的更好方法
无刷直流电机(或称BLDC电机)是通过外部电机控制器控制直流电源供电的电动换相电机。和同类有刷电机不同,无刷直流电机依靠外部控制器来实现换相,这个过程通过切换电机各相中的电流产生运动。有刷电机利用真实的电刷,每转动一圈就能完成两次上述过程,而无刷直流电机则不是这样。出于设计原因,无刷直流电机可以拥有任意数量的电极对进行换相。在下文中,我们将了解电机基础知识、无刷直流电机换相的常用方法并介绍了一套新的解决方案,用于收集位置反馈信息。

无刷直流电机换相基础知识

无刷直流电机最常采用的是3相配置。相位数匹配定子上的匝数,而转子可以具有任意数量的电极对,具体取决于应用。由于无刷直流电机的转子会受旋转的定子电极影响,所以必须追踪定子电极的位置,才能有效驱动3个电机相。因此,使用电机控制器在3个电机相生成6步换相模式。这6个步骤(或称换相阶段)会移动电磁场,进而导致转子的永磁铁移动电机轴。

图示为用于无刷直流电机换相的6步模式
用于无刷直流电机换相的6步模式

控制器必需始终具有准确的转子位置信息,才能有效完成电机换相。自无刷电机问世以来,霍尔效应传感器一直都是实现换相反馈的常用方式。通常情况下,需要3个传感器才能实现3相控制。霍尔效应传感器嵌入电机的定子中以检测转子位置,该位置用于切换三相桥中的晶体管以驱动电机。三个传感器输出通常被视为U、V和W信道。遗憾的是,这种位置反馈的方法有一些缺点。虽然霍尔效应传感器的材料成本较低,但是将这些传感器集成到无刷直流电机的成本可能是电机总成本的两倍。此外,控制器仅能从霍尔效应传感器中获取片面的电机位置信息,因而在需要精确位置反馈以保持正常运行的系统中可能引起问题。

编码器提供更高的精度

在当今世界中,需要无刷直流电机的系统比以往任何时候都需要更高的位置测量精度。要完成这项任务,除了使用霍尔感应传感器之外,还要在无刷直流电机上连接增量编码器。这带来了一种提供更加完善的位置反馈的系统,但这就要求电机制造商在电机中增加两个霍尔传感器,并在组装后增加一个增量编码器。更好的方案是完全跳过霍尔感应传感器,并使用换相编码器替换增量编码器。这类换相编码器(例如CUI的AMT31系列)具有用于精确位置追踪的增量输出,以及与电机特定电极配置匹配的换相输出。CUI的数字换相编码器支持对这些参数(包括电极数、分辨率和方向)进行编程。这样就在原型设计和测试过程中为工程师提供了灵活性,并在多个设计中减少了编码器SKU的数量。有关换相和增量编码器以及霍尔传感器的更多信息,请阅读我们的技术论文

对齐换相电机

施加电流之后,电机就会旋转;反过来,旋转电机也会产生电流。如果您要旋转无刷直流电机,就会发现3相的输出与下图相似。为了将换相编码器甚至霍尔效应传感器正确对准无刷直流电机,产生的换相波形应与反电动势一致。按照传统,这会引发一个迭代过程,需要再加一个电机来驱动第一个电机,还需要一个示波器来观察波形。这样可能比较耗时,而且还会显著增加制造成本。

图示为换相输出和电机各相 图示为反电动势波形
换相输出和电机各相

使用AMT电容式编码器,校准过程几乎是即时完成的,而且只需要一个电源即可。一旦安装了编码器,用户只需要对与AMT编码器的必要起始位置对应的两个相位供电,然后发送对齐命令即可。这样,用户基本上设置了编码器换相波形的起始位置和电机的反电动势波形。

AMT编码器不仅容易对齐,而且换相信号也会更精确地与电机电极对齐。将换相编码器与电机对齐仅设定起始位置(即换相波形开始的位置)。如果操作正确,换相波形应完全匹配电机的反电动势波形。但是并不能每次都能做到。与霍尔传感器或光学编码器的典型对齐结果大约为±1电角度。另一方面,AMT编码器可以实现更高的精度,通常在±0.1电角度之内。当U和W信道均处于高电平(上述波形中的第三状态)时,AMT编码器的波形就会开始;请咨询电机制造商,了解相应的反电动势图,以确定在对齐期间哪些相位需要通电。

AMT换相编码器的方向设置

除了可编程电极数和分辨率功能外,AMT系列还为换相应用提供了方向设置。这是大多数其他换相编码器制造商无法提供的独有方案。简而言之,方向指示编码器的轴应该朝哪个方向旋转以发送换相信号。通常把换相编码器放置在电机的后轴上。在这种情况下,电机逆时针转动时(从电机背面看),换相信号通过它们的状态发送。然而,如果将编码器放在轴上,基本上就是将编码器翻转过来,而现在如果逆时针旋转电机(从后面看),编码器的轴实际上是顺时针旋转的(从编码器的顶部向下看)。这表示电机的电极与编码器的电极旋转的方向是相反的,如下图所示。不包括这一可编程选项的其他技术需要实体交换编码器磁盘或U、V、W信道来完成相同的任务。对于使用具有不同方向要求的多个无刷直流电机的应用,这种可编程功能非常实用。

图示为与反电动势方向相反的换相波形
与反电动势方向相反的换相波形

结论

无刷直流电机在使用中不断发展,并且在提供严格的控制回路和高精度位置感应反馈方面,在许多应用中都表现出色。多年来,霍尔效应传感器由于材料成本低而成为首选解决方案,但除非与增量编码器搭配使用,否则它们通常无法提供电机位置的完整信息。而换相编码器(如CUI的AMT31系列)提供了一体化解决方案,完全不需要使用霍尔效应传感器和增量编码器。CUI的AMT31换相编码器因其灵活的可编程性和安装简单的特点而成为市场上最通用的一种选件。只要您大概了解这篇博客中概述的换相编码器原理,就会将其视为您下一个无刷直流电机项目的首选方案。

有用资源

查看CUI的AMT31换相编码器系列
阅读我们的技术文章《无刷直流电机最有效的换相方法是什么?》
观看AMT31编码器的简单对齐过程

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Jason Kelly

Jason Kelly

运动控制设计和应用工程师

作为CUI的AMT编码器和运动控制产品设计工程师,Jason Kelly参与大量新型编码器的设计,其中包括配套附件的创建、软件接口和客户工具。他对于领先的工程设计和实践的重视明确体现在CUI的创新型AMT编码器以及他为客户提供的现场支持上。Jason如果不在实验室从事设计,就会忙着改造自己的家、摆弄他的卡车,或者和他的妻子及家人一同探索太平洋西北地区的野外隐藏的宝石。

 
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