直流无刷电机的优越性

海风

直流无刷电机的优越性 直流电机具有响应快速、较大的起动转 矩、从零转速至额定转速具备可提供额 定转矩的性能，但直流电机的优点也正 是它的缺点，因为直流电机要产生额定 负载下恒定转矩的性能，则电枢磁场与 转子磁场须恒维持90°，这就要藉由碳 刷及整流子。碳刷及整流子在电机转动 时会产生火花、碳粉因此除了会造成组 件损坏之外，使用场合也受到限制。交 流电机没有碳刷及整流子，免维护、坚 固、应用广，但特性上若要达到相当于 直流电机的性能须用复杂控制技术才能 达到。现今半导体发展迅速功率组件切 换频率加快许多，提升驱动电机的性 能。微处理机速度亦越来越快，可实现 将交流电机控制置于一旋转的两轴直交 坐标系统中，适当控制交流电机在两轴 电流分量，达到类似直流电机控制并有 与直流电机相当的性能。 此外已有很多微处理机将控制电机必需 的功能做在芯片中，而且体积越来越 小；像模拟/数字转换器(Analog-to-digital converter，ADC)、脉冲宽度调制 (pulse wide modulator，PWM)…等。直 流无刷电机即是以电子方式控制交流电 机换相，得到类似直流电机特性又没有 直流电机机构上缺失的一种应用。 直流无刷电机的控制结构 直流无刷电机是同步电机的一种，也就 是说电机转子的转速受电机定子旋转磁 场的速度及转子极数(P)影响： N=120．f / P。在转子极数固定情况 下，改变定子旋转磁场的频率就可以改 变转子的转速。直流无刷电机即是将同 步电机加上电子式控制(驱动器)，控制 定子旋转磁场的频率并将电机转子的转 速回授至控制中心反复校正，以期达到 接近直流电机特性的方式。也就是说直 流无刷电机能够在额定负载范围内当负 载变化时仍可以控制电机转子维持一定 的转速。 直流无刷驱动器包括电源部及控制部如 图 (1) ：电源部提供三相电源给电机， 控制部则依需求转换输入电源频率。 电源部可以直接以直流电输入(一般为 24V)或以交流电输入(110V/220 V)，如 果输入是交流电就得先经转换器 (converter)转成直流。不论是直流电输 入或交流电输入要转入电机线圈前须先 将直流电压由换流器(inverter)转成3相 电压来驱动电机。换流器(inverter)一般 由6个功率晶体管(Q1～Q6)分为上臂 (Q1、Q3、Q5)/下臂(Q2、Q4、Q6)连接 电机作为控制流经电机线圈的开关。控 制部则提供PWM(脉冲宽度调制)决定功 率晶体管开关频度及换流器(inverter)换 相的时机。直流无刷电机一般希望使用 在当负载变动时速度可以稳定于设定值 而不会变动太大的速度控制，所以电机 内部装有能感应磁场的霍尔传感器 (hall-sensor)，做为速度之闭回路控 制，同时也做为相序控制的依据。但这 只是用来做为速度控制并不能拿来做为 定位控制。 [查看图片] 图一 直流无刷电机的控制原理 要让电机转动起来，首先控制部就必须 根据hall-sensor感应到的电机转子目前 所在位置，然后依照定子绕线决定开启 (或关闭)换流器(inverter)中功率晶体管 的顺序，如 下（图二） inverter中之 AH、BH、CH(这些称为上臂功率晶体 管)及AL、BL、CL(这些称为下臂功率晶 体管)，使电流依序流经电机线圈产生 顺向(或逆向)旋转磁场，并与转子的磁 铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆 时转动。当电机转子转动到hall-sensor 感应出另一组信号的位置时，控制部又 再开启下一组功率晶体管，如此循环电 机就可以依同一方向继续转动直到控制 部决定要电机转子停止则关闭功率晶体 管(或只开下臂功率晶体管)；要电机转 子反向则功率晶体管开启顺序相反。 基本上功率晶体管的开法可举例如下： AH、BL一组→AH、CL一组→BH、CL一 组→BH、AL一组→CH、AL一组→CH、 BL一组 但绝不能开成AH、AL或BH、BL或CH、 CL。此外因为电子零件总有开关的响应 时间，所以功率晶体管在关与开的交错 时间要将零件的响应时间考虑进去，否 则当上臂(或下臂)尚未完全关闭，下臂 (或上臂)就已开启，结果就造成上、下 臂短路而使功率晶体管烧毁。 直流无刷电机的控制原理 要让电机转动起来，首先控制部就必须 根据hall-sensor感应到的电机转子目前 所在位置，然后依照定子绕线决定开启 (或关闭)换流器(inverter)中功率晶体管 的顺序，如 下（图二） inverter中之 AH、BH、CH(这些称为上臂功率晶体 管)及AL、BL、CL(这些称为下臂功率晶 体管)，使电流依序流经电机线圈产生 顺向(或逆向)旋转磁场，并与转子的磁 铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆 时转动。当电机转子转动到hall-sensor 感应出另一组信号的位置时，控制部又 再开启下一组功率晶体管，如此循环电 机就可以依同一方向继续转动直到控制 部决定要电机转子停止则关闭功率晶体 管(或只开下臂功率晶体管)；要电机转 子反向则功率晶体管开启顺序相反。 基本上功率晶体管的开法可举例如下： AH、BL一组→AH、CL一组→BH、CL一 组→BH、AL一组→CH、AL一组→CH、 BL一组 但绝不能开成AH、AL或BH、BL或CH、 CL。此外因为电子零件总有开关的响应 时间，所以功率晶体管在关与开的交错 时间要将零件的响应时间考虑进去，否 则当上臂(或下臂)尚未完全关闭，下臂 (或上臂)就已开启，结果就造成上、下 臂短路而使功率晶体管烧毁。 [查看图片] 图二 当电机转动起来，控制部会再根据驱动 器设定的速度及加/减速率所组成的命 令(Command)与hall-sensor信号变化的 速度加以比对(或由软件运算)再来决定 由下一组(AH、BL或AH、CL或BH、CL 或……)开关导通，以及导通时间长短。 速度不够则开长，速度过头则减短，此 部份工作就由PWM来完成。PWM是决 定电机转速快或慢的方式，如何产生这 样的PWM才是要达到较精准速度控制 的核心。高转速的速度控制必须考虑到 系统的CLOCK 分辨率是否足以掌握处理 软件指令的时间，另外对于hall-sensor 信号变化的资料存取方式也影响到处理 器效能与判定正确性、实时性。至于低 转速的速度控制尤其是低速起动则因为 回传的hall-sensor信号变化变得更慢， 怎样撷取信号方式、处理时机以及根据 电机特性适当配置控制参数值就显得非 常重要。或者速度回传改变以encoder 变化为参考，使信号分辨率增加以期得 到更佳的控制。电机能够运转顺畅而且 响应良好，P.I.D.控制的恰当与否也无 法忽视。之前提到直流无刷电机是闭回 路控制，因此回授信号就等于是告诉控 制部现在电机转速距离目标速度还差多 少，这就是误差(Error)。知道了误差自 然就要补偿，方式有传统的工程控制如 P.I.D.控制。但控制的状态及环境其实 是复杂多变的，若要控制的坚固耐用则 要考虑的因素恐怕不是传统的工程控制 能完全掌握，所以模糊控制、专家系统 及神经网络也将被纳入成为智能型 P.I.D.控制的重要理论。 P.I.D控制简介 一般P.I.D控制如下

[查看图片] (dutycycle)=(dutycycle)p + (dutycycle)i + (dutycycle)d P.控制(比例控制) ：输出与输入误差讯 号成正比关系，即将误差固定比例修 正，但系统会有稳态误差。 I .控制(积分控制) ：当系统进入稳态有 稳态误差时，将误差取时间的积分，即 便误差很小也能随时间增加而加大，使 稳态误差减小直到为零。 D.控制(微分控制)：当系统在克服误差 时，其变化总是落后于误差变化，表示 系统存在较大惯性组件或(且)有滞后组 件。微分即是预测误差变化的趋势以便 提前作用避免被控量严重冲过头。 电机驱动器的保护措施 对于驱动器还要有保护措施，当负载过 大或不当使用时会造成大电流而将功率 晶体管烧毁。为了保护因电流超过规格 而破坏驱动器，一般会以加大功率晶体 管耐电流或加电流sensor做为保护。其 次当电机负载不小的时候，在停止转动 时由电机端回送至驱动器的能量及过电 压都将危及驱动器，这可配合过电压保 护电路加上回生能量消散电路来防治。 其它尚有hall-sensor正常与否判定也会 影响PWM控制的正确性，这可由控制 部判断并适时警告即可。 DC无刷电机系列控制疑难杂症处理案 例 · 欲以电流值的大小来判断目前电机的 负载状况是否有过载的迹象，该如何测 量? 将电源线的其中一条拔起后，将电表 （请先调至安培档）的一端接至驱动器 的电源CONNECTOR其中一接脚，另一 端则接至电源插座的另一接脚，如此即 可测量出在现阶段的负载下所必须耗费 的电流值，之后再依此电流值来对照电 机的电流/扭力对照表，如此即可得知 目前的负载状况是正常或是 否有过载 的情形发生。

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