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无刷电机的结构、驱动原理及驱动电路解析

11/13 07:32
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无刷电机,指的是一种无需电刷与机械换向器的电机设备。传统的有刷电机设计中,定子通常采用永磁体,而转子则为电磁铁。在转子转动过程中,电刷会自动切换转子电磁铁中的电流方向,从而确保转子始终受到转动力矩的作用,实现连续旋转。相比之下,无刷电机的设计特点在于,其转子为永磁体,而定子则为电磁铁。为切换电磁铁中的电流,无刷电机采用电子换向器而非机械式电刷,因此得名无刷电机。

在电机技术中,槽数N和级数P是两个核心概念。槽数N特指定子上的电磁铁极数量,而级数P则代表转子上磁极的数量。一种常见的电机结构为3N2P型,这种结构指的是定子具有三个线圈极,同时转子上配置有两个磁极的无刷电机。以下是3N2P型无刷电机的定子结构示意图。通过理解这些基本概念和电机结构,我们可以更好地把握电机的工作原理和应用领域。

1.jpg

定子构造包含三组线圈,分别标识为A、B、C。这三组线圈的一端汇聚于一个公共点,而另一端则分别引出为三个独立的引线,即a、b、c。在定子的中心位置,安置一块磁铁,便构成了最基本的无刷电机结构,详情可见附图所示。

其利天下技术·无刷电机驱动开发2.jpg

值得注意的是,这仅仅是3槽2极电机的基本结构,其在复杂度和性能上属于较为简单的类型。在实际应用中,为了提升电机的运行稳定性和转矩能力,通常会采用增加槽数和极数的设计。此外,线圈的连接方式可以根据具体需求选择星形或三角形连接。从机械结构的角度出发,电机还可以进一步区分为外转子电机和内转子电机,这主要取决于转子是位于电机的内部还是外部。

了解了无刷电机的结构,那么,无刷电机是如何转动起来的呢?

我们仍然以最简单的3N2P无刷电机为例,假设初始时,我们在a端接电源正、b端接电源负、c端悬空,则A线圈产生磁场方向朝左上方,B线圈产生磁场方向朝正上方,磁场的矢量和朝左上方,转子磁铁在A、B线圈的磁场作用下,会转到图示方向:

其利天下技术无刷电机驱动方案3.jpg

下一时刻,我们在c端接电源正、b端接电源负、而a端悬空,则磁场矢量和朝向右上方,转子磁铁会从下图的1转到下图2中的位置:

其利天下技术无刷电机驱动方案5.jpeg

同理,后续依次c+a-、a-b+、b+c-、c-a+、a+b-、b-c+循环加电,转子磁铁就能循环转动起来了。每经过6次切换电流,转子转动一圈。

因为三个线圈相隔120°,所以,不难得出两个线圈同时导通时,转矩为单个线圈的√3倍。

上述驱动方法中,每次导通了两个线圈,因此称为“二二导通”驱动方式;相对地还有一种三个线圈同时导通的方式,称为“三三导通”驱动方式。

例如,施加电压为 a+b-c- 的状态时,由于三个线圈都会产生磁场,则定子磁铁会转动到下图位置(N极正对A线圈):

其利天下技术无刷电机驱动方案6.jpeg

而且,由于A线圈中的电流等于B、C电流之和,所以总的转矩为1.5倍A线圈的转矩。

不难分析出,“三三导通”的驱动方式,也是6个步骤完成转动一圈。如我们依次按a+b-c-、a+b-c+、a-b-c+、a-b+c+、a-b+c-、a+b+c-循环控制线圈电压,则定子也能转动起来。

上面我们分析了如何让三相的无刷电机转动起来,实质上就是需要能对三个线圈的引出点分别加正、负电压,一般可以用如下三相六臂全桥电路来实现:

其利天下技术·无刷电机驱动4.jpg

例如,在上图中导通Q1和Q4,其他都不导通,那么电流将从Q1流经U相绕组,再从V相绕组流到Q4。这样也就完成了个线圈通电,同理,依次导通Q5Q4、Q5Q2、Q3Q2、Q3Q6和Q1Q6,这也就完成了“二二导通”的6个工作方式。

同理三相全桥也可以实现“三三导通”的控制方式。

上述全桥电路只是原理性的介,实际应用时,要保证控制时,不能有同一个桥臂的上下MOS管同时导通,否则会烧毁器件。我们可以先关闭上桥臂的MOS,再开启下桥臂的MOS(或者先关闭下MOS再开启上MOS)这样就避免了上下MOS同时导通的时间,错开的这个时间差,一般称为死区时间(dead time)。很多MCU输出的PWM波,都可以控制死区时间的大小,方便我们设计。

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