什么是无刷直流电机换向的最有效方法？这三个方面需要关注
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无刷直流电机(或简称BLDC电机)是一种采用直流电源并通过外部电机控制器控制实现电子换向的电机。不同于有刷电机，BLDC电机依靠外部控制器来实现换向。简言之，换向就是切换电机各相中的电流以产生运动的过程。有刷电机是指具有物理电刷的电机，其每转一次可实现两次换向过程，而BLDC电机无电刷配备，因此而得名。由于其设计特性，无刷电机能够实现任意数量的换向磁极对。 与传统有刷电机相比，BLDC电机具有极大的优势。这种电机的效率通常可提高15-20%；没有电刷物理磨损，因而能减少维护；无论在什么额定速度下都可以获得平坦的转矩曲线。虽然BLDC电机并不是新发明，但由于需要复杂控制和反馈电路，所以广泛采用的进展较为缓慢。然而，由于近期半导体技术的发展、永磁体品质提升，以及对更高效率不断增长的需求，促使BLDC电机在大量应用中取代了有刷电机。BLDC电机在许多行业找到了市场定位，包括白色家电、汽车、航空航天、消费、医疗、工业化自动设备和仪器仪表等。 随着行业朝着需要在更多应用中使用BLDC电机的方向发展，许多工程师不得不将目光投向该技术。虽然电机设计的基础要素仍然适用，但添加外部控制电路也增加了另一系列需考虑的设计事项。在诸多设计问题中，最重要的一点是如何获取电机换向的反馈。 电机换向 在深入探索BLDC电机反馈选项之前，先了解为什么需要它们至关重要。BLDC电机可配置为单相、两相和三相；其中最常用的配置为三相。相数与定子绕组数相匹配，而转子磁极数根据应用需求的不同可以是任意数量。因为BLDC电机的转子受旋转的定子磁极影响，所以须追踪定子磁极位置，以有效驱动三个电机相。为此，需使用电机控制器在三个电机相上生成六步换向模式。这六步(或换向相)移动电磁场，进而使转子永磁体移动电机轴。 通过采用这种标准电机换向序列，电机控制器即可利用高频率脉宽调制(PWM)信号，有效降低电机承受的平均电压，从而改变电机速度。除此之外，这种设置通过让一个电压源用于各种各样的电机，大大提升了设计灵活性，即使直流电压源大大高出电机额定电压的情况也不例外。为了让此系统保持相对于有刷技术的效率优势，在电机和控制器之间需要安装非常严格的控制回路。反馈技术的重要性就体现在这里；控制器要能保持对电机的精确控制，它必须始终掌握定子相对于转子的确切位置。预期和实际位置出现任何非对准或相移可能会导致意想不到的情况及性能下降。针对BLDC电机换向可采用许多方式来实现这种反馈，不过最常见的方式是使用霍尔效应传感器、编码器或旋转变压器。另外，某些应用也会依靠无传感器换向技术来实现反馈。 位置反馈 自无刷电机诞生以来，霍尔效应传感器一直是实现换向反馈的主力。因三相控制仅需要三个传感器且单位成本较低，所以单纯从BOM成本角度来看，它们往往是实现换向最经济的选择。电机定子中嵌入了检测转子位置的霍尔效应传感器，这样就可以切换三相电桥中的晶体管来驱动电机。三个霍尔效应传感器输出一般标记为U、V和W通道。虽然霍尔效应传感器能够有效解决BLDC电机换向问题，但它们仅仅满足了BLDC系统一半所需。 虽然霍尔效应传感器能使控制器驱动BLDC电机，但遗憾的是，其控制仅限于速度和方向。在三相电机中，霍尔效应传感器只能在每个电循环内提供角度位置。随着磁极对数量的增加，每次机械转动的电循环数量也增加，而且随着BLDC的使用变得更加普及，对精确位置传感的需求也由此增加。为确保解决方案稳健且完整，BLDC系统应提供实时位置信息，从而使得控制器不仅可以追踪速度和方向，还可以追踪行程距离和角度位置。 为满足对更严格位置信息的需求，常用的解决方案是向BLDC电机添加增量式旋转编码器。通常，除霍尔效应传感器之外，还会在相同的控制反馈回路系统中添加增量编码器。其中霍尔效应传感器用于电机换向，而编码器则用于更加精确地追踪位置、旋转、速度和方向。由于霍尔效应传感器仅在每个霍尔状态变化时提供新的位置信息，所以其精度只达到每一电力循环六个状态；而对双极电机而言，仅为每一机械循环六个状态。与能提供分辨率以数千PPR(每转脉冲数)计的增量编码器(可解码为状态变化次数的四倍)相比，两者均需的必要性就显而易见了。 |
