無刷驅動器換向方法
來源：深圳市鑫海文科技有限公司|發布時間：2019-07-16 20:14
無刷驅動器或無刷直流電動機是由直流電源通過外部電動機控制器供電的電子換向電動機。與他們的拉絲親屬不同，無刷電機依靠外部控制器來實現換向。簡而言之，換向是切換電機相中的電流以產生運動的過程。有刷電機有物理刷子，每次旋轉兩次實現這個過程，而無刷電機則沒有，因此得名。由于其設計的性質，它們可以具有任意數量的極對用于換向。
與傳統的有刷電機相比，無刷電機具有明顯的優勢。它們通常可提供15-20％的效率提升，無需刷子即可減少物理磨損，并可在所有額定速度下提供平坦的扭矩曲線。雖然無刷電機不是新發明，但由于需要復雜的控制和反饋電路，因此廣泛采用的速度很慢。然而，最近半導體技術的進步，更好的永磁體以及對更高效率的不斷增長的需求導致無刷電機在許多應用中取代有刷電機。無刷電機已在許多行業中占據一席之地，包括白色家電，汽車，航空航天，消費品，醫療，工業自動化設備和儀器儀表。
隨著行業向更多應用中需要無刷電機的方向發展，許多工程師不得不切換到這種技術。雖然電機設計的基礎知識仍然適用，但外部控制電路的增加又增加了另一套設計考慮因素。設計問題列表中的重點是如何獲得電機換向的反饋。
電機換向
在深入研究無刷電機的反饋選項之前，了解它們為什么是必要的非常重要。無刷電機采用單相，2相和3相配置; 最常見的配置是3階段。相數與定子上的繞組數相匹配，而轉子極可以是任意數量的對，具體取決于應用。由于無刷電機的轉子受到旋轉定子磁極的影響，因此必須跟蹤定子磁極位置，以便有效地驅動3個電機相。因此，電動機控制器用于在3個電動機相上產生6步換向模式。這些6級或換向階段移動電磁??場，該電磁場使轉子的永磁體移動電動機軸。
圖1：無刷電機換向的六步模式。
使用該標準電動機換向序列，電動機控制器然后可以使用高頻脈沖寬度調制（PWM）信號來有效地降低電動機觀察到的平均電壓，從而改變電動機速度。即使直流電壓源遠大于電機的額定電壓，這種設置也允許一個電壓源用于各種電機，從而實現設計的大量靈活性。為了使該系統保持其優于拉絲技術的效率優勢，在電動機和控制器之間需要非常嚴格的控制回路。這就是反饋技術變得重要的地方; 為了使控制器保持對電動機的精確控制，必須始終知道定子相對于轉子的準確位置。預期位置和實際位置的任何未對準或相移可能導致不良行為和性能下降。有許多方法可以實現無刷電機換向的這種反饋，但最常見的是霍爾效應傳感器，編碼器或旋轉變壓器。另外，一些應用依賴于無傳感器換向技術。
職位反饋
自無刷電機問世以來，霍爾效應傳感器一直是換向反饋的主力。對于三相控制，只需要三個傳感器，并且每單位成本非常低，從純BOM成本的角度來看，它們是實現換向的最經濟的選擇。霍爾傳感器嵌入電機的定子中以檢測轉子位置，轉子位置用于切換三相橋中的晶體管以驅動電機。三個霍爾效應傳感器輸出通常被稱為U，V和W通道。雖然霍爾傳感器是換向無刷電機的有效解決方案，但它們只能滿足無刷系統的一半需求。
圖2：三相橋式驅動電路。
霍爾效應傳感器將允許控制器驅動無刷電機，但不幸的是它的控制僅限于速度和方向。霍爾效應傳感器采用三相電機，只能在每個電氣周期內提供角度位置。隨著極對數增加，每次機械旋轉的電循環次數增加，并且隨著無刷的使用變得更加普遍，因此增加了對精確位置感測的需求。為了確保穩健和完整的解決方案，無刷系統應提供實時位置信息，以便控制器不僅可以跟蹤速度和方向，還可以跟蹤行進距離和角位置。
解決更嚴格位置信息需求的最常見解決方案是在無刷電機上增加一個增量式旋轉編碼器。除了同一控制反饋回路系統內的霍爾效應傳感器之外，通常還增加了增量編碼器。霍爾傳感器用于電機換向，編碼器用于跟蹤位置，旋轉，速度和方向，具有更高的精度。由于霍爾傳感器僅在每次霍爾狀態變化時提供新的位置信息，因此它們的精度限制為每次電氣旋轉六個狀態; 對于雙極電機，每次機械旋轉只能產生六種狀態。與增量編碼器相比，增量編碼器提供數千個PPR（每轉脈沖）的分辨率，然后可以將其解碼為狀態變化的四倍，
圖3：六步霍爾效應輸出和梯形電機相位。
但是，由于電機制造商不得不將霍爾效應傳感器和增量編碼器都放在電機上，許多編碼器制造商已經開始提供帶換向輸出的增量編碼器，通常簡稱為換向編碼器。這些編碼器設計用于提供傳統的正交A和B通道（有時是每轉一次的索引脈沖通道Z）以及大多數無刷電機驅動器所需的標準U，V和W換向信號。這為電機設計人員節省了安裝霍爾效應傳感器和增量編碼器的必要步驟。
雖然這種方法的優點很有說服力，但這種方法存在重大的權衡。如前所述，為了有效地換向無刷電動機，必須知道轉子和定子的位置。這意味著必須非常小心，以確保換向編碼器的U / V / W通道與無刷電機的相位正確對齊。
對于在其光盤上具有固定圖案的光學編碼器和必須手動放置的霍爾效應傳感器，實現無刷電機正確對準的過程既迭代又耗時。該方法涉及附加設備，包括第二電動機和示波器。要對準光學編碼器或一組霍爾效應傳感器，無刷電機必須使用第二個電機進行反向驅動。然后，當電動機通過第二電動機以恒定速度旋轉時，示波器用于監測三個電動機相的反電動勢（也稱為反電動勢或反電動勢）。必須根據示波器上顯示的反電動勢波形檢查來自編碼器或霍爾傳感器的最終U / V / W信號。如果U / V / W通道和反電動勢波形之間存在任何差異，則必須進行調整。這個過程每個電機可能需要20分鐘，需要大量的實驗室設備，并且在使用無刷電機時是一個主要的挫折源。雖然光學換向編碼器鞏固了僅安裝一種技術的負擔，但實現光學換向編碼器的缺點是缺乏通用性。由于光學編碼器在其光盤上使用固定圖案，因此在訂購之前必須知道電機極數，正交分辨率和電機軸尺寸。雖然光學換向編碼器鞏固了僅安裝一種技術的負擔，但實現光學換向編碼器的缺點是缺乏通用性。由于光學編碼器在其光盤上使用固定圖案，因此在訂購之前必須知道電機極數，正交分辨率和電機軸尺寸。雖然光學換向編碼器鞏固了僅安裝一種技術的負擔，但實現光學換向編碼器的缺點是缺乏通用性。由于光學編碼器在其光盤上使用固定圖案，因此在訂購之前必須知道電機極數，正交分辨率和電機軸尺寸。
圖4：換向通道和電機相位的所需對齊。
電容式換向編碼器
CUI公司通過提供基于其AMT系列中使用的專利電容技術的增強型換向編碼器解決了這兩個問題的產品。光學編碼器使用非常小的LED通過具有特定間隔的凹口的光盤傳輸光以產生輸出圖案。AMT編碼器可以以類似的方式描述，但是不是通過LED傳輸光，而是傳輸電場。在光盤的位置是PCB轉子，其包含調制電場的正弦圖案金屬跡線。然后將調制信號的接收端傳遞回發射機，在那里通過專用ASIC將其與原始信號進行比較。該技術使用與Vernier數字卡尺相同的原理，該卡尺以其可靠性和準確性而聞名。
圖5：電容編碼器操作。
在AMT31系列換向編碼器提供了增量輸出A / B / Z，以及換向輸出U / V / W。通過包括電容ASIC和板載MCU的設計，編碼器以數字方式生成其輸出。這很重要，因為它允許用戶只需按一下按鈕即可以數字方式設置編碼器的零位。只需將無刷電機鎖定到所需的相位狀態，并使用AMT One Touch Zero™模塊或AMT Viewpoint™編程GUI 將AMT31編碼器歸零。這樣就無需反向驅動電機，也無需使用示波器查看任何輸出信號，從而有效地從裝配過程中移除了20分鐘。
由于采用了電容技術，可以動態調整正交分辨率和換向輸出。用戶只需將AMT31編碼器連接到鑫海文，從20個正交分辨率（最多4096個PPR）和7個標準極對選項（最多20個極點）中選擇，然后點擊“程序”。這在開發方面具有優勢，允許工程師快速，輕松地對原型進行任何更改，并通過允許單個庫存單元（SKU）用于不同分辨率的多個電機控制和無刷桿來幫助生產供應鏈管理計數。除了支持多種分辨率和極對數的每個單元外，編碼器外殼的設計便于組裝，同時提供多種安裝選項和多種套管尺寸，以適應常用的電機軸直徑。
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