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          了解電機控制算法

          算法是一組為執行特定任務而設計的指令。計算機程序本質上是多組算法。

           

          在無刷直流 (BLDC) 電機 / 永磁同步電機 (PMSM) 中,軟件算法通過監測和控制電機操作來提高效率并降低運行成本。在帶傳感器的無刷直流電機 /永磁同步電機中,主要算法的一些最重要的功能如下:

           

          • 電機初始化

          • 霍爾傳感器轉子位置檢測

          • 檢查開關信號是增加電流基準還是減少電流基準

          • 檢查電機旋轉方向


           

           
          了解控制器如何處理傳感器信息
           

           

          無刷直流電機定子有三個霍爾傳感器,各相彼此相隔 120 度(參見第 2 章)。當它們的數字輸出數據合并在一起時,會產生一個代表轉子位置的三位數字。

           

          如圖 3-1 所示,可用三位代碼代表 1 到 6 之間的操作碼。三相無刷直流電機有六種狀態(從三相輸出得出的六種可能的電流狀態)。傳感器利用八個操作碼中的六個(1 到 6)生成三位數的數據輸出。該信息很有用,因為控制器可確定何時發出了非法操作碼(0 和 7),并根據合法操作碼(1 到 6)執行動作。

           

          閱讀圖 3-1 中的查找表的方法如下:

           

          • 當霍爾傳感器W、V、U等于操作碼1-0-1、操作碼5時,扇區0激勵。

          • 當霍爾傳感器W、V、U等于操作碼1-0-0、操作碼4時,扇區1激勵。

           

          依此類推,可獲得其他各種可能的狀態。

           

          各個霍爾傳感器都位于轉子上,因此每個轉子扇區都會出現一個變化狀態。如圖 3-1 所示,該算法會獲取霍爾傳感器操作碼并對其進行解碼。一旦霍爾傳感器操作碼的值發生變化,控制器就必須更改激勵方案以實現換向。微控制器利用操作碼從查找表中提取激勵信息。三相逆變器通過新扇區命令激勵后,磁場移動至新位置,從而推動轉子。電機運行時,此過程不斷重復。

           

           
          了解脈沖寬度調制
           

           

          有些電機僅需要一個速度,因此它們只需要恒定直流電壓進入逆變器,如圖3-1 所示。但是,如今許多產品,其中包括很多電動工具和園藝工具,都需要變速電機。這種電機利用脈沖寬度調制(PWM)來改變電機速度。脈寬調制可精準控制電機速度和扭矩,從而實現變速。

           

          寬調制(PWM)是具有恒定頻率的方波信號,如圖 3-2 所示。脈寬調制將逆變器直流電壓轉換為調制后的有效電壓。例如,利用占空比為 0% 到100% 的脈寬調制控制信號,可使用 12 伏電池向電機施加 0 伏到 12 伏的任何電壓。算法利用這種控制方法來有效限制啟動電流以及調節電機速度和扭矩。

           

          脈寬調制開關頻率是電源開發階段必須牢記的重要設計因素。提高開關頻率會增加開關損耗,但可改善低電感電機中的電流穩定度。降低開關頻率會增加電流紋波,電流紋波將轉化為扭矩紋波(例如振動)。應用電壓和電機電感將引導設計人員選擇正確的脈寬調制開關頻率。根據經驗,電壓或電流越高,所需要的開關頻率就越低。

           

          持續改變脈寬調制信號會改變占空比,如圖 3-3 所示。它給出了一系列電壓值,而這反過來又會改變電機速度。您可利用這些脈寬調制占空比的變化來改變進入電機繞組的電壓。



           

           
          識別無刷直流電機 / 永磁同步電機典型應用
           

           

          本節中,我們將探討無刷直流電機 / 永磁同步電機在電動工具、園藝工具、白色家電和車輛等關鍵產品類型中的某些常見用途。

           

           
          電動工具
           

           

          電池(尤其是經久耐用的高能量密度電池)供電的無繩電動工具讓用戶能夠靈活自由地使用。這種便捷和自由促使該領域迅速轉向無刷直流電機 /永磁同步電機。

           

          傳統上,電動工具由通用交流 / 直流有刷電機、開關或電位計以及將其與電源插座連接的電線構成。在將近一個世紀的時間里,人們利用這種方法設計出了種類繁多的電動工具。但是,在無繩電動工具中,必須考慮操作時間,因為操作時間受到電池性能的限制。鉆孔機、圓鋸及其他類似工具需要在負載下啟動,因此它們使用傳感器和基于傳感器的算法,其中大多數使用無刷直流電機和六步梯形換向方案。

           

          但是,其他很多電動工具(如磨床和擺鋸)以及諸如吹葉機、割草機和綠籬機等絕大多數園藝工具也采用無傳感器算法。設計師一直在尋求提高電動工具性能的方法,因此,永磁同步電機和磁場定向控制(FOC)開始出現在成本更高、性能更高的電動工具中。

           

           
          園藝工具
           

           

          園藝工具包括割草機、打邊機、鏈鋸、吹葉機以及切邊機。它們可能看起來屬于電動工具,但傳統的電動工具(如鉆孔機和鋸)是電力驅動,而園藝工具大多由燃氣內燃機提供動力,我們的工具房里偶爾也有帶電線的園藝工具。

           

          可靠的電池供電的園藝工具普及較慢。它們大約在二三十年前就已出現,但因功能薄弱而并不引人注意。但是,隨著無刷直流電機 / 永磁同步電機和高壓電池領域的技術進步,它們的命運已發生逆轉!如今的園藝工具采用 40 伏到 80 伏電池技術,其性能與燃氣動力同類產品的性能一樣出色。這么高的電壓甚至足以使無刷直流電機 / 永磁同步電機為拖拉機式割草機提供動力!

           

           
          白色家電
           

           

          白色家電行業為我們提供了很多家用電器,如冰箱、洗衣機和烘干機、真空吸塵器以及吊扇。傳統上,所有這些電器都使用不需要專用驅動器 / 控制器的交流感應電機。但是,隨著節電措施的出現以及用戶對某些家電變速的需求,交流感應電機已逐步被無刷直流電機 / 永磁同步電機取代。

           

          在冰箱中,壓縮機、風機和水泵均已改用無刷直流電機 / 永磁同步電機。這些電器已納入綠色能源計劃中,所以節能至關重要。與此同時,在家庭環境中盡可能地減少振動和噪音,也是大家非常期待的。憑借采用磁場定向控制(FOC)換向的低紋波永磁同步電機,現在的冰箱不僅更節能、更可靠,而且還更加安靜,在室內使用也不再令人厭煩。吊扇、抽油煙機和真空吸塵器也利用了這些先進技術。

           

           
          汽車行業
           

           

          您所擁有的機器中,電機數量最多的一臺機器最可能是您的運輸機器——汽車!電動座椅、電動窗、電動后視鏡、門鎖、雨刮、水泵、油泵、風扇、鼓風機等等。您的汽車的各個位置可能裝配有二十幾個到多達 50 個電機,它們都需要被驅動和控制。

           

          傳統上,汽車中的所有電機都是簡單的有刷直流電機。但是,人們對能源使用和氣候變化的擔憂預示著一個注重節能的新時代的到來。以熱量形式耗散的能源必須通過燃燒更多的化石燃料產生,因此使用更高效的電機可減少碳足跡。即使每個電機僅能節省相對較少的能源,但如果將其乘以每輛汽車中電機的數量以及全球大約有 14 億輛汽車這一實際數字,便可明顯看出,把有刷直流電機換成無刷直流電機 / 永磁同步電機意義重大。
          (本文轉自公眾號:電機技術與應用)

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