無刷直流電動機的組成與工作原理 (1)無刷電動機的組成 無刷直流電動機由轉子和定子兩大部分組成，如圖3所示。 (2)無刷直流電動機的工作原理 無刷直流電動機采用方波自控式永磁同步電動機，以霍爾傳感器取代電刷換向器，霍爾傳感器的信號線傳遞電動機里面磁鋼相對于繞組線圈的位根據3個霍爾傳感器的信號能知道此時應該怎樣給電動機的線圈供電(不同的霍爾信應該給電動機繞組提供相對應方向的電流)，也就是說霍爾傳感器狀態不一樣，線圈的置號電流方向不一樣。 霍爾信號傳遞給控制器，控制器通過粗線(不是霍爾線)給電動機繞組供電，電動機旋轉，磁鋼與繞組(準確地說是纏在定子上的線圈，其實霍爾一般安裝在定子上)發生轉動，霍爾傳感器感應出新的位置信號，控制器粗線又給重新改變電流方向的電動機繞組供電，電動機繼續旋轉(當繞組和磁鋼的位置發生變化時，繞組必須對應地改變電流方向，這樣電動機才能繼續向一個方向運動，否則電動機就會在某一個位置左右擺動，而不是連續旋轉)，這個過程就是電子換向。 無刷直流電動機由直流電源供電，借助位置傳感器來檢測轉子的位置，所檢測出的信號觸發相應的電子換相線路，以實現無接觸式換相。 無刷直流電動機用電子開關和位置傳感器代替電刷及換向器，將直流電轉換成模擬三相交流電，通過調制脈寬，改變其電流大小來改變轉速。 直流無刷電機的控制結構 直流無刷電機是同步電機的一種，也就是說電機轉子的轉速受電機定子旋轉磁場的速度及轉子極數(P)影響： N=120.F/P。在轉子極數固定情況下，改變定子旋轉磁場的頻率就可以改變轉子的轉速。直流無刷電機即是將同步電機加上電子式控制(驅動器)，控制定子旋轉磁場的頻率并將電機轉子的轉速回授至控制中心反復校正，以期達到接近直流電機特性的方式。也就是說直流無刷電機能夠在額定負載范圍內當負載變化時仍可以控制電機轉子維持一定的轉速。 直流無刷驅動器包括電源部及控制部如圖(1)：電源部提供三相電源給電機，控制部則依需求轉換輸入電源頻率。 電源部可以直接以直流電輸入(一般為24V)或以交流電輸入(110V/220V)，如果輸入是交流電就得先經轉換器(CONVERTER)轉成直流。不論是直流電輸入或交流電輸入要轉入電機線圈前須先將直流電壓由換流器(INVERTER)轉成3相電壓來驅動電機。換流器(INVERTER)一般由6個功率晶體管(Q1～Q6)分為上臂(Q1、Q3、Q5)/下臂(Q2、Q4、Q6)連接電機作為控制流經電機線圈的開關。 控制部則提供PWM(脈沖寬度調制)決定功率晶體管開關頻度及換流器(INVERTER)換相的時機。直流無刷電機一般希望使用在當負載變動時速度可以穩定于設定值而不會變動太大的速度控制，所以電機內部裝有能感應磁場的霍爾傳感器(HALL-SENSOR)，做為速度之閉回路控制，同時也做為相序控制的依據。但這只是用來做為速度控制并不能拿來做為定位控制。 直流無刷電機的控制原理 要讓電機轉動起來，首先控制部就必須根據HALL-SENSOR感應到的電機轉子目前所在位置，然后依照定子繞線決定開啟(或關閉)換流器(INVERTER)中功率晶體管的順序，如下(圖二)INVERTER中之AH、BH、CH(這些稱為上臂功率晶體管)及AL、BL、CL(這些稱為下臂功率晶體管)，使電流依序流經電機線圈產生順向(或逆向)旋轉磁場，并與轉子的磁鐵相互作用，如此就能使電機順時/逆時轉動。當電機轉子轉動到HALL-SENSOR感應出另一組信號的位置時，控制部又再開啟下一組功率晶體管，如此循環電機就可以依同一方向繼續轉動直到控制部決定要電機轉子停止則關閉功率晶體管(或只開下臂功率晶體管);要電機轉子反向則功率晶體管開啟順序相反。 基本上功率晶體管的開法可舉例如下： AH、BL一組→AH、CL一組→BH、CL一組→BH、AL一組→CH、AL一組→CH、BL一組，但絕不能開成AH、AL或BH、BL或CH、CL。此外因為電子零件總有開關的響應時間，所以功率晶體管在關與開的交錯時間要將零件的響應時間考慮進去，否則當上臂(或下臂)尚未完全關閉，下臂(或上臂)就已開啟，結果就造成上、下臂短路而使功率晶體管燒毀。 當電機轉動起來，控制部會再根據驅動器設定的速度及加/減速率所組成的命令(COMMAND)與HALL-SENSOR信號變化的速度加以比對(或由軟件運算)再來決定由下一組(AH、BL或AH、CL或BH、CL或……)開關導通，以及導通時間長短。速度不夠則開長，速度過頭則減短，此部份工作就由PWM來完成。 PWM是決定電機轉速快或慢的方式，如何產生這樣的PWM才是要達到較精準速度控制的核心。高轉速的速度控制必須考慮到系統的CLOCK分辨率是否足以掌握處理軟件指令的時間，另外對于HALL-SENSOR信號變化的資料存取方式也影響到處理器效能與判定正確性、實時性。至于低轉速的速度控制尤其是低速起動則因為回傳的HALL-SENSOR信號變化變得更慢，怎樣擷取信號方式、處理時機以及根據電機特性適當配置控制參數值就顯得非常重要。或者速度回傳改變以ENCODER變化為參考，使信號分辨率增加以期得到更佳的控制。電機能夠運轉順暢而且響應良好，P.I.D.控制的恰當與否也無法忽視。 之前提到直流無刷電機是閉回路控制，因此回授信號就等于是告訴控制部現在電機轉速距離目標速度還差多少，這就是誤差(ERROR)。知道了誤差自然就要補償，方式有傳統的工程控制如P.I.D.控制。但控制的狀態及環境其實是復雜多變的，若要控制的堅固耐用則要考慮的因素恐怕不是傳統的工程控制能完全掌握，所以模糊控制、專家系統及神經網絡也將被納入成為智能型P.I.D.控制的重要理論。 48V無刷電機電動車接線原理