電機(jī)控制板的基本原理

    電動(dòng)機(jī)在汽車、冰箱、天井工具等極為廣泛的產(chǎn)品中扮演著十分重要的角色。據(jù) IMSResearch稱，每年在市場(chǎng)上新增110億臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，它們將會(huì)消耗45%的電力。這個(gè)市場(chǎng)正由傳統(tǒng)的有刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o刷電機(jī)，深刻地改變著市場(chǎng)。這是由于多種原因，其中包括許多行業(yè)對(duì)節(jié)能的強(qiáng)烈要求。另外，一些非插電式應(yīng)用，如便攜工具，逐漸興起，它們需要更小、重量更輕、耗電更少的馬達(dá)，使得電池可以持續(xù)使用更長(zhǎng)時(shí)間。

    無刷電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)有更高的效率、更輕的重量和更精確的控制。但不像傳統(tǒng)有刷電機(jī)，它們需要電控。在此背景下，電機(jī)控制市場(chǎng)也隨著有刷電機(jī)向無刷電機(jī)的發(fā)展。這一章，我們將介紹各種類型的電動(dòng)機(jī)，并詳細(xì)說明新技術(shù)是如何使直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于多種不同類型的產(chǎn)品。同時(shí)，對(duì)直流無刷電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了介紹。

其中，刷直流電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)、無刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDC)、永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)是目前的一種。表1-1是電機(jī)類型的總表。

與此緊密相連的兩種無刷電機(jī)—無刷直流(BLDC)電機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)在許多領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。這類電動(dòng)機(jī)不需要刷、換向器，所以比刷電機(jī)效率高，能有效延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命。

用電刷/換向器接口產(chǎn)生有電刷/換向器接口，這種方法可以在有刷電動(dòng)機(jī)中的轉(zhuǎn)向器(在每個(gè)相中切換電流以形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng))。界面會(huì)產(chǎn)生不利于摩擦和電弧。

無刷DC (BLDC)電機(jī)和 PMSM (PMSM)都是利用電子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，所以不需要用電刷或換向器。該方法利用一個(gè)外部電路調(diào)節(jié)向各個(gè)相傳輸?shù)碾妷汉碗娏鳌?/p>

盡管這兩種電路要稍復(fù)雜一點(diǎn)，但是無刷直流電動(dòng)機(jī)和 PMSM (PMSM)電機(jī)在某些方面都有較大的優(yōu)勢(shì)。其電子換向方案使得能效比同速的有刷電機(jī)提高20%至30%，而且更耐用，更小，重量更輕，噪音更小。

組合點(diǎn)在定子上(馬達(dá)的靜部)。把繞組置于電動(dòng)機(jī)的固定位置，把永磁鐵放置在轉(zhuǎn)子上，這樣就不需要電刷。無刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDC)(PMSM)電動(dòng)機(jī)(PMSM)中，通過電子控制器從外部控制流至定子線圈。

由于這兩種電動(dòng)機(jī)(BLDC)(PMSM)與 PMSM (BLDC)在許多應(yīng)用場(chǎng)合具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此正逐漸取代有刷直流電機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)。實(shí)際上，無刷直流電機(jī)(BLDC)或永磁同步電機(jī)(PMSM)已在汽車、電動(dòng)工具、家用電器等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

相對(duì)于傳統(tǒng)有刷電機(jī)，無刷直流(BLDC)電機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)具有許多優(yōu)點(diǎn)。這款冰箱省電、小巧、輕便、低噪音、更可靠、耐用。另外，其速度控制精度高，適用于變速場(chǎng)合。此外，他們也有極好的速度轉(zhuǎn)矩特性。

在對(duì)速度進(jìn)行精確控制時(shí)，一般采用無刷直流電機(jī)(BLDC)電動(dòng)機(jī)或永磁同步電動(dòng)機(jī)。在第二章中我們會(huì)詳細(xì)討論它是如何工作的，但是基本的概念在圖1-2中給出。通過分析傳感器輸出端的極性和變化率，實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速測(cè)量。如圖1-2所示，三相無刷直流(BLDC)電動(dòng)機(jī)或 PMSM (PMSM)需要三個(gè)霍爾傳感器。

由于電動(dòng)機(jī)或永磁同步電動(dòng)機(jī)是采用電子換向電路，因此，它們需要通過監(jiān)測(cè)電路保證線圈激勵(lì)精確度確定后，才能精確地調(diào)整速度，適當(dāng)?shù)乜刂妻D(zhuǎn)矩，提高效率。這一驅(qū)動(dòng)電路在許多要求可調(diào)速、精確控制位置的電動(dòng)機(jī)應(yīng)用中不可或缺。

令人高興的是，所有必要的模擬能力都被整合到一個(gè)電動(dòng)機(jī)控制單元中，并由此驅(qū)動(dòng)功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，有時(shí)甚至集成于一個(gè)單元內(nèi)。這一獨(dú)立的控制單元可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程和降低部件的成本。

電機(jī)控制器可完成多項(xiàng)非常重要的工作。其最基本的功能是通過控制各相的電壓來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的速度和方向。但電機(jī)控制器還 ：

要實(shí)現(xiàn)這些功能，電機(jī)控制器必須比以前更加智能化。舉例來說，他們可以通過監(jiān)控負(fù)載和調(diào)整力矩與之匹配，從而提高效率。在降低電機(jī)熱量、噪聲、振動(dòng)的同時(shí)，提高效率。

無刷直流(BLDC)電機(jī)或 PMSM (PMSM)是一種傳統(tǒng)的三相逆變器，在傳統(tǒng)的三相逆變器中，需要多個(gè)集成芯片來提供各種電機(jī)控制功能。該技術(shù)包括單片機(jī)、用來驅(qū)動(dòng)功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)的預(yù)驅(qū)能、用來放大被測(cè)得電機(jī)電流的差分放大器、比較器、用來降低電壓的開關(guān)和線性穩(wěn)壓器。

由于半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，如今很多功能都被并入一個(gè)小型控制裝置中。