直流電機控制器：有刷與無刷

直流電機控制器是用于管理直流電機運行的特殊電子設(shè)備。所有直流電機都需要控制器嗎？一點也不。讓我們弄清楚哪些直流電機使用它以及用于什么目的。

直流電機控制器是用于管理直流電機運行的特殊電子設(shè)備。所有直流電機都需要控制器嗎？一點也不。讓我們弄清楚哪些直流電機使用它以及用于什么目的。

在本文中，我們將研究兩種類型的直流電機：有刷直流 （BDC） 和無刷直流 （BLDC） 電機。兩種類型都使用控制器，可以啟動和停止電機，調(diào)節(jié)其速度和扭矩，以及執(zhí)行其他功能。然而，控制器對于 BLDC 電機更為重要，因為它是換向過程的一部分，對于所有由直流電供電的電機都至關(guān)重要。在這里，您將了解有關(guān)有刷和無刷直流電機及其控制系統(tǒng)之間的差異的更多信息。

BDC 和 BLDC 電機和控制器概述

要創(chuàng)建直流電機的旋轉(zhuǎn)，您需要切換或換向施加到電機的電流，并改變電機繞線組件周圍產(chǎn)生的磁場的極性。

在BDC電機中，電流流過轉(zhuǎn)子的繞組，而其定子可以有繞組（串聯(lián)，并聯(lián)，復(fù)合BDC電機）或永磁體（永磁BDC電機）。電機的運動取決于圍繞這兩個組件產(chǎn)生的磁場的相互作用。因此，它們的帶相反電荷的場吸引并且類似的帶電場相互排斥。

BDC電機的另一個關(guān)鍵元件是換向器，它切換電流的極性，并通過稱為電刷的電觸點將其施加到轉(zhuǎn)子的繞組上。

BLDC 電機還有一個轉(zhuǎn)子和一個定子，但與有刷電機不同，電流流過定子的繞組。由永磁體制成的轉(zhuǎn)子可以位于電機內(nèi)部（內(nèi)轉(zhuǎn)子BLDC 電機）或外部（外轉(zhuǎn)子BLDC 電機）。

BLDC 電機沒有換向器或電刷等機械部件，因為這里的換向是由控制器驅(qū)動的電子過程。通過估計轉(zhuǎn)子的位置，控制器決定何時切換電流以及為哪個定子繞組通電。因此，控制器對于無刷電機的運行至關(guān)重要。

除此之外，BDC 和 BLDC 電機控制器具有相同的功能;它們可以啟動和制動電機，反轉(zhuǎn)其旋轉(zhuǎn)并控制其速度和扭矩。

有刷和無刷直流電機的應(yīng)用特點

有刷和無刷直流電機都有自己的優(yōu)點和缺點，定義了它們的應(yīng)用領(lǐng)域。例如，BLDC 電機具有更小、更輕的結(jié)構(gòu)，對其效率沒有影響。這就是為什么它廣泛用于不同尺寸的便攜式電子產(chǎn)品和無線設(shè)備的原因。

與機械換向器相比，BLDC 電機控制器以更高的頻率切換電流。這使電機能夠保持高扭矩并在低速和高速下平穩(wěn)運行。可靠性和低維護也是 BLDC 電機的強項之一。因此，其適用范圍可能包括其在以下方面的使用：

電動車;

無人駕駛飛行器;

家用電子產(chǎn)品;

工業(yè)機器人。

在某些應(yīng)用中，BDC 電機已經(jīng)讓位于無刷電機。事實上，機械換向效率較低，通常會導(dǎo)致功率損耗。電流切換期間產(chǎn)生的火花會導(dǎo)致高水平的電子噪聲。此外，刷子需要定期維護和/或更換。

盡管存在所有這些缺點，BDC電機在注重簡單性和成本效益的低功耗系統(tǒng)和應(yīng)用中仍然很受歡迎。它們可以在遙控玩具、簡單的家用、工業(yè)和汽車電器中找到。

BDC 電機控制器的設(shè)計和實現(xiàn)比 BLDC 控制器更簡單，因為沒有復(fù)雜的電子元件和算法，在某些情況下使其成為更具吸引力的選擇。因此，讓我們看看構(gòu)建這些設(shè)備中的每一個需要什么。

構(gòu)建 BDC 電機控制器

在構(gòu)建直流電機控制器之前，應(yīng)指定技術(shù)要求并選擇特定類型的設(shè)備?？刂破鞯奶匦园ǖ幌抻冢?/p>

功率調(diào)節(jié)

為了調(diào)節(jié)速度或扭矩，BDC 控制器會增加或減少提供給電機的功率。線性穩(wěn)壓器允許控制器在電機的整個工作周期內(nèi)施加恒定電壓。

這種類型的調(diào)節(jié)通常不再用于現(xiàn)代控制器，因為它們主要依賴于具有脈寬調(diào)制（PWM）的開關(guān)穩(wěn)壓器。這種方法允許控制器通過脈沖供電來改變電壓和電流水平。

控制類型

簡單的系統(tǒng)使用直流電機控制器來調(diào)節(jié)電機的運行，而無需獲得任何反饋。因此，開環(huán)控制器無法校正電機的參數(shù)。

相反，閉環(huán)直流電機控制器可以接收來自電機的反饋并根據(jù)需要調(diào)節(jié)其速度、旋轉(zhuǎn)方向和其他參數(shù)。

直流電機控制器的其他特性包括電機的功率和工作電壓。為確保電機及其控制器的可靠性，您應(yīng)該了解電機正常運行所需的電源和電壓水平。因此，您可以在低壓和高壓以及功率的電機控制器之間進行選擇。

如上所述，大多數(shù)有刷電機使用PWM控制器。此類器件具有一個帶有兩個高邊和兩個低邊開關(guān)的H橋電路。例如，當(dāng)電機需要加速時，控制器會增加占空比（脈沖與脈沖周期的比值）。修改后的PWM信號到達柵極驅(qū)動器，這些驅(qū)動器打開晶體管的時間更長，并允許更多的電流進入。

要沿一個方向旋轉(zhuǎn) BDC 電機，控制器打開對角線上的 H 橋開關(guān)。開關(guān)過程總是有一些延遲，因此在反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)時，所有四個晶體管都可能打開。為了防止電機出現(xiàn)電壓和電流泄漏，您可以增加死區(qū)時間，使控制器保持所有晶體管閉合和依次打開。

要實現(xiàn)閉環(huán)控制電路，可以使用位置傳感器?？刂破鲗⒆x取傳感器發(fā)送的信號并做出相應(yīng)的反應(yīng)。在我們的一個項目中，我們創(chuàng)建了一個可編程直流電機控制器，既可以作為閉環(huán)系統(tǒng)，也可以作為開環(huán)系統(tǒng)工作。為了接收電機的反饋，我們增加了一個旋轉(zhuǎn)編碼器來監(jiān)控電機的狀況。

構(gòu)建帶有反饋的直流電機控制器時，您應(yīng)該注意微控制器的功能。MCU 應(yīng)：

覆蓋傳感器信號的頻率范圍;

具有必要的信號處理速率;

有足夠的內(nèi)存和閃存容量;

如果傳感器是模擬傳感器，則具有模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）。

構(gòu)建 BLDC 電機控制器

BLDC 電機控制器使用半 H 橋電路的晶體管切換電流。晶體管的數(shù)量取決于控制器激勵的相數(shù)或繞組數(shù)。三相無刷直流電機控制器（最常見的配置之一）需要三個半H橋，即每相一個高邊和一個低邊開關(guān)。

接收到MCU信號后，柵極驅(qū)動器打開晶體管并向定子繞組提供電流。要在相位之間切換，控制器需要知道轉(zhuǎn)子的位置。有兩種方法可以檢測它：

安裝位置傳感器并使用其測量值;

感測定子繞組中隨轉(zhuǎn)子運動一起產(chǎn)生的反電動勢（反電動勢）。

第一種方法更簡單，但傳感器需要定期維護（例如，光學(xué)傳感器容易產(chǎn)生灰塵）。此外，您還必須添加更多電線，這使電機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。第二種解決方案在硬件級別更簡單，但可能需要復(fù)雜的算法開發(fā)。重要的是，只有當(dāng)轉(zhuǎn)子移動時，您才能感應(yīng)回電動勢。

根據(jù)我們的經(jīng)驗，當(dāng)傳感器與反電動勢傳感方法一起使用時，定位精度會提高。

檢測到轉(zhuǎn)子位置后，BLDC 電機控制器會切換電流，并將其作為梯形或正弦波形應(yīng)用于不同的相位。

梯形換向的實現(xiàn)更簡單，但是，它可能在低速時引起轉(zhuǎn)矩脈動，并且只有在電機加快速度時才變得平穩(wěn)。正弦直流無刷電機控制器主要依靠脈寬調(diào)制來產(chǎn)生正弦波。這種方法可在低速時提供平滑切換，但很難在高頻下構(gòu)建正弦波。

大多數(shù)無刷電機都有閉環(huán)控制器，這些控制器使用位置傳感器和特殊算法來接收來自電機的反饋并做出響應(yīng)。其中一種算法是比例-積分-微分 （PID） 算法，廣泛用于 BLDC 和 BDC 電機控制器的反饋系統(tǒng)。

PID算法處理當(dāng)前電機的參數(shù)，并將其與參考值進行比較。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，它調(diào)整輸出信號的頻率，控制器相應(yīng)地調(diào)節(jié)速度。

結(jié)論

直流電機在各個行業(yè)中的需求量很大。在某些應(yīng)用中可互換，BDC 和 BLDC 電機仍然有其利基市場。例如，有刷電機的低成本和簡單性使其成為日常使用的電子設(shè)備的合適選擇。電子換向 BLDC 電機可在不同功率的應(yīng)用中提供可靠性和高效的速度控制。