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从一个简单的角度初步认识电机控制

2019-12-19 10:16:25 2345

0 ` 本文没有算法，没有公式，更没有深奥的理论和推论，而是从一个简单的角度去理解电机的驱动控制，适合那些希望在电机驱动算法开发的道路上能更好的走下去。基于这个“简单”原则，本文也没有讲到具体的驱动算法，而最重要的，就是帮助你去理解电机，从而在你使用FOC算法进行电机驱动开发时，不至于知其然而不知其所以然。假定你是学过向量的，并且理解向量加上向量等于向量，也就是两个向量的合成，如下图：再假定你上过初中，并且记得初中的时候上物理课，老师讲到的安倍定则，安倍定则其实很简单，就是有电流I从导体流过时，导体周边产生了确定方向的磁场B，其方向可通过下图来确定：知道安倍定则后，加上你对向量的理解，因为向量是可以合成的，而磁场可以理解为一个磁力线向量的集合，如下图，有电流的导体，本身会产生一个磁场，该磁场的磁力线是环绕导体的，方向如左图所示，当放在磁场B中时，这两个磁场会发生合成，形成一个总的磁场，如右图：按图中方向的话，这个总的磁场，在导体的右边将会磁力线更密、强度更大，而左边刚好相反，磁力线更稀疏、强度更小，于是这个导体将会受到一个向左的力的作用，有往左运动的趋势。我们为了得到一个更好的“运动趋势”，把“导线”做成线圈，并放置在磁场中，并对该导线做成的线圈接上电源，使得有电流通过，如下图：以图中磁场和电流的方向，该线圈将会两个边受到不同的两个力的作用，左边向上，右边向下，于是线圈受到的是一个旋转的“力矩”的作用，该力矩是顺时针方向的。为了方便外接电源和这个“转动”的线圈持续接触，使用了一个叫“电刷”的东西，使得线圈在转动的过程中持续有电流流过。你可能会发现，图中的方形线圈，转到垂直位置时，将会有可能导致电刷两端的刷头通过半圆金属环直接导通，造成电源“短路”，所以这个线圈做成图4所示的这个样子其实是没有实用价值的，在这里指示示意作用，实际当中，人们往往把3个线圈，按120度角度的位置安装在同一个转轴上，如图4的右边实物照片的样子，这3个线圈的线头首尾相连，接在3个铜片上，这3个铜片也是按120度角度嵌在转子的转轴上，方向和位置与线圈的一致，注意铜片缝隙与线圈的位置关系，如图5所示，这是一般的玩具直流小电机的转子：为了便于分析和理解，下面把转子的电刷和线圈画成平面的形式，如下图：从图6可以看出，电刷固定的情况下，无论转子转到任何角度，总有1个线圈位于电刷连线的一侧，而另外2个线圈位于电刷连线的另一侧，如果电刷左正右负的接上电源，每个线圈的电流方向如图6所示，以电刷连线为界，对于线圈产生的磁场方向，下方线圈磁场总是由轴心朝向外，而上方线圈总是由外朝向轴心，单独把磁场向量提取出来，如下图：由图7所示向量，合成后，总磁场都是朝下的，如图4所示，由于永磁体总是按电刷连线方向安装的，如果永磁体磁场方向由右指向左，由于磁力线有趋同向的特性，转子便产生了顺时针的力矩M，如果持续供电，则这个力矩持续存在并且方向一致，在朝正下方左右30度范围内摆动，这样转子便一直旋转下去。好了，通过上面的分析，下面来进一步了解BLDC的情况，这个要划重点，将由直流有刷电机向无刷电机过度，从这个角度的理解有助于明白BLDC的工作过程。下面，进一步简化转子的示意图，线圈都在电刷的“缝”那个角度一致，现在略去线圈，并把三个线圈位置标上编号a/b/c，下面6个图，分别是依次相差60度的情况，而且刚好电刷不在那“缝”那里：仔细观察，上面12个图，其合成磁场方向均指向同一个方向，如果我们固定转子，也就是以转子作为“静止”参考物，并将电刷“取走”，转子轴上的3个铜片分别命名为U/V/W相，并引出引线，把原来“固定”的永磁体作为“外转子”，于是之前说的直流有刷电机，便变成了外转子三相直流无刷电机。原来的直流有刷电机，是靠电刷换向的，结合图8，我们把电流从电刷铜片经过线圈流向顺时针相邻的铜片的这个方向定为正向电流，则换向顺序可以归纳为：第1步abc：- + - 第2步abc：+ + - 第3步abc：+ - - 第4步abc：+ - + 第5步abc：- - + 第6步abc：- + + 这其实是与三相无刷直流电机的方波驱动6步法一致了，只需再安装霍尔器件在电机永磁体附近，所以实际上我们通常说的直流有刷电机，与三相无刷直流电机的方波6步法驱动，电气上基本一致，只是换向所采用的方法不同，有刷电机靠电刷机械换向，而无刷直流电机靠开关器件电子换向。上面已经阐述了三相无刷直流电机方波驱动6步法的原理，如果进一步引出，便是FOC（空间矢量控制）算法和DTC（直接转矩控制）等的三相无刷直流电机驱动了。由于6步法方波驱动时，转矩是一份一份的给到转子的，存在转矩脉动，这个转矩脉动，对电机本身并不友好，为了克服这个问题，便产生了FOC/DTC等的电机驱动算法，更好的对电机进行驱动控制。本文仅从简单的角度带领读者进入FOC/DTC电机算法的领域，或者你可能已经使用FOC/DTC等电机库，但有些地方不是很明白，不知道从哪里入手去理解电机本体，这里便给了一个很好的方向，而再深入的FOC/DTC电机算法，将在后续文章中详细讨论，谢谢！作者：满爱宝（高级嵌入式开发工程师）单位：广东华芯微特集成32位MCU威廉希尔官方网站有限公司网站：http://www.synwit.cn ` 0
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