直流電機(jī)控制器：有刷與無刷

直流電機(jī)控制器是用于管理直流電機(jī)運(yùn)行的特殊電子設(shè)備。所有直流電機(jī)都需要控制器嗎？一點(diǎn)也不。讓我們弄清楚哪些直流電機(jī)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(jī)：有刷直流 （BDC） 和無刷直流 （BLDC） 電機(jī)。兩種類型都使用控制器，可以啟動(dòng)和停止電機(jī)，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(jī)更為重要，因?yàn)樗菗Q向過程的一部分，對于所有由直流電供電的電機(jī)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(jī)及其控制系統(tǒng)之間的差異的更多信息。

BDC 和 BLDC 電機(jī)和控制器概述

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

在BDC電機(jī)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(jī)）或永磁體（永磁BDC電機(jī)）。電機(jī)的運(yùn)動(dòng)取決于圍繞這兩個(gè)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(jī)的另一個(gè)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(diǎn)將其施加到轉(zhuǎn)子的繞組上。

BLDC 電機(jī)還有一個(gè)轉(zhuǎn)子和一個(gè)定子，但與有刷電機(jī)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(jī)內(nèi)部（內(nèi)轉(zhuǎn)子BLDC 電機(jī)）或外部（外轉(zhuǎn)子BLDC 電機(jī)）。

BLDC 電機(jī)沒有換向器或電刷等機(jī)械部件，因?yàn)檫@里的換向是由控制器驅(qū)動(dòng)的電子過程。通過估計(jì)轉(zhuǎn)子的位置，控制器決定何時(shí)切換電流以及為哪個(gè)定子繞組通電。因此，控制器對于無刷電機(jī)的運(yùn)行至關(guān)重要。

除此之外，BDC 和 BLDC 電機(jī)控制器具有相同的功能;它們可以啟動(dòng)和制動(dòng)電機(jī)，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(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)

有刷和無刷直流電機(jī)都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，定義了它們的應(yīng)用領(lǐng)域。例如，BLDC 電機(jī)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(jī)械換向器相比，BLDC 電機(jī)控制器以更高的頻率切換電流。這使電機(jī)能夠保持高扭矩并在低速和高速下平穩(wěn)運(yùn)行?？煽啃院偷途S護(hù)也是 BLDC 電機(jī)的強(qiáng)項(xiàng)之一。因此，其適用范圍可能包括其在以下方面的使用：

電動(dòng)車;

無人駕駛飛行器;

家用電子產(chǎn)品;

工業(yè)機(jī)器人。

在某些應(yīng)用中，BDC 電機(jī)已經(jīng)讓位于無刷電機(jī)。事實(shí)上，機(jī)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(hù)和/或更換。

盡管存在所有這些缺點(diǎn)，BDC電機(jī)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(jī)控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)比 BLDC 控制器更簡單，因?yàn)闆]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(gè)需要什么。

構(gòu)建 BDC 電機(jī)控制器

在構(gòu)建直流電機(jī)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。控制器的特性包括但不限于：

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(jī)的功率。線性穩(wěn)壓器允許控制器在電機(jī)的整個(gè)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?yàn)樗鼈冎饕蕾囉诰哂忻}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(jī)控制器來調(diào)節(jié)電機(jī)的運(yùn)行，而無需獲得任何反饋。因此，開環(huán)控制器無法校正電機(jī)的參數(shù)。

相反，閉環(huán)直流電機(jī)控制器可以接收來自電機(jī)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(jī)控制器的其他特性包括電機(jī)的功率和工作電壓。為確保電機(jī)及其控制器的可靠性，您應(yīng)該了解電機(jī)正常運(yùn)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(jī)控制器之間進(jìn)行選擇。

如上所述，大多數(shù)有刷電機(jī)使用PWM控制器。此類器件具有一個(gè)帶有兩個(gè)高邊和兩個(gè)低邊開關(guān)的H橋電路。例如，當(dāng)電機(jī)需要加速時(shí)，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(dá)柵極驅(qū)動(dòng)器，這些驅(qū)動(dòng)器打開晶體管的時(shí)間更長，并允許更多的電流進(jìn)入。

要沿一個(gè)方向旋轉(zhuǎn) BDC 電機(jī)，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(shí)，所有四個(gè)晶體管都可能打開。為了防止電機(jī)出現(xiàn)電壓和電流泄漏，您可以增加死區(qū)時(shí)間，使控制器保持所有晶體管閉合和依次打開。

要實(shí)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(gè)項(xiàng)目中，我們創(chuàng)建了一個(gè)可編程直流電機(jī)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(jī)的反饋，我們增加了一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器來監(jiān)控電機(jī)的狀況。

構(gòu)建帶有反饋的直流電機(jī)控制器時(shí)，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(jī)控制器

BLDC 電機(jī)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(lì)的相數(shù)或繞組數(shù)。三相無刷直流電機(jī)控制器（最常見的配置之一）需要三個(gè)半H橋，即每相一個(gè)高邊和一個(gè)低邊開關(guān)。

接收到MCU信號后，柵極驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)一起產(chǎn)生的反電動(dòng)勢（反電動(dòng)勢）。

第一種方法更簡單，但傳感器需要定期維護(hù)（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(jī)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(dòng)時(shí)，您才能感應(yīng)回電動(dòng)勢。

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

檢測到轉(zhuǎn)子位置后，BLDC 電機(jī)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(shí)現(xiàn)更簡單，但是，它可能在低速時(shí)引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，并且只有在電機(jī)加快速度時(shí)才變得平穩(wěn)。正弦直流無刷電機(jī)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(shí)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(jī)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(jī)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(jī)控制器的反饋系統(tǒng)。

PID算法處理當(dāng)前電機(jī)的參數(shù)，并將其與參考值進(jìn)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(jī)在各個(gè)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(jī)仍然有其利基市場。例如，有刷電機(jī)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(jī)可在不同功率的應(yīng)用中提供可靠性和高效的速度控制。

審核編輯：郭婷