無刷直流電機開關工作原理實現的輸出和控制方案
為了在系統中實現運動，可以使用各種電機類型，例如有刷直流(DC)電機、無刷直流電機(BLDC)、交流(AC)電機、通用電機、步進電機或伺服電機。從這些選項中，無刷直流電機電機特別具有以下優勢：
·高效率
·可靠性和長壽命
·緊湊的尺寸
·低噪聲
·支持廣泛的電機速度
·不產生火花
無刷直流電機電機的諸多優點是為什么這種電機可用于各種應用，包括：無繩電動工具、空調輸出單元以及建筑安全系統中的自動門和大門。無刷直流電機電機還用于汽車內的各個地方，例如滑動門模塊、車窗模塊、車頂電機模塊、雨刮器模塊、座椅位置和舒適模塊、發動機風扇和泵。
無刷直流電機開關
詳細介紹無刷直流電機電機的工作原理，圖1顯示了無刷直流電機電機的簡化模型，該模型使用兩個磁極（一個北和一個南）和三個線圈。在此模型中，轉子（電機的旋轉部分）上的永磁體被定子（電機的靜止部分）上的線圈包圍。磁鐵的運動是導致轉子運動的原因。線圈將根據注入其中的電流方向改變其磁極（北或南）。電磁鐵對永磁體的相反極的吸引力和電磁鐵對永磁體的同極的排斥使永磁體和轉子運動，從而產生轉矩。
圖1.無刷直流電機電機模型，換向步驟1：——
例如，如果磁鐵位于圖1所示的位置，并且希望使磁鐵沿順時針方向移動，則向線圈U注入電流以充當磁鐵的南極，并向線圈V注入電流電流就像磁鐵的北極一樣。線圈U產生的S極排斥永磁體的S極，線圈V產生的N極吸引永磁體的S極，從而使永磁體和轉子順時針旋轉，直到達到如圖所示的磁體位置圖2。從圖2的磁鐵位置，將電流注入線圈W以充當磁鐵的北極，并向線圈U注入電流以繼續充當磁鐵的南極，使轉子再次順時針旋轉。為了保持磁體和轉子沿圓周連續移動，必須以非常特定的順序將電流連續注入不同的線圈。切換哪些線圈有電流注入其中以引起轉子運動的過程稱為換向。
圖2.無刷直流電機電機模型，換向步驟2：——
如圖1和圖2所示，向其中注入電流的適當線圈以及這些電流的極性取決于磁體的當前位置。無刷直流電機換向方案的工作原理是首先確定轉子的位置，然后使用該轉子位置信息施加磁場以使轉子沿所需方向移動。有兩種方法可以確定轉子位置。第一種方法使用位置傳感器。第二種方法是基于反電動勢(EMF)確定位置的無傳感器方法，反電動勢是電機旋轉時在電機上產生的電壓。電機上產生的反電動勢波形的幅度與電機的速度成正比。
傳感換向的優點包括：
由于電機上產生的反電動勢波形的幅度與電機的速度成正比，因此無傳感器換向方案在低速下無法運行，因為反電動勢太小而無法測量以確定轉子位置。如果系統在零速時需要很大的扭矩，則需要傳感器換向。
在非常高的電機速度下，當使用反電動勢時，很難區分不同的轉換。如果電機以非常高的速度移動，請使用傳感器換向來緩解此問題。有傳感器的實現執行起來相對簡單，不需要像無傳感器實現那樣的復雜計算。對于傳感換向，可以使用霍爾位置傳感器、編碼器或旋轉變壓器。在這些選項中，霍爾位置傳感器是最常見的，因為它們的成本相對較低。從不同類型的霍爾位置傳感器中，霍爾鎖存器用于提供簡單的六步換向方法。使用這些霍爾鎖存器，需要交替使用北極和南極來切換設備的輸出，如圖3所示。
圖3.霍爾傳感器器的輸出：——
對于圖3中所示的鎖存器，僅當設備檢測到磁體的南極并且感測到的磁通密度的幅度大于磁通密度工作點（稱為B OP）時，輸出才被斷言為低電平圖中。輸出將保持低電平，直到設備檢測到磁體的北極并且感測到的磁通密度的大小大于鎖存器的磁通密度釋放點，在圖中稱為B RP。在沒有磁輸入的情況下，鎖存器的最后狀態保持活動狀態。
圖4顯示了使用三個霍爾鎖存器的有傳感器六步電機換向控制方案的輸出波形。在該方案中，一次僅驅動兩相，其中第三相處于高阻態。圖中，數字代表換向步長。步驟1具體對應圖1所示狀態，步驟2對應圖2所示狀態。圖4中的霍爾A、霍爾B和霍爾C波形對應于不同換向步驟期間霍爾鎖存器的輸出。U相、V相和W相波形表示應用到該相以使磁體移動到其下一個換向步驟的波形。在圖4，“+”對應于注入電流，使相的南極施加，“-”對應注入相反的電流，使相施加北極，“Z”指相處于高阻態。此圖說明有六個獨立的霍爾狀態，其中每個狀態對應于驅動相位以保持電機旋轉的不同選項。因此，霍爾狀態可用于提供有關如何驅動相位以保持電機旋轉的信息，其中霍爾傳感器的狀態可用作軟件查找表的索引，以獲取有關如何驅動不同相位的信息基于轉子的當前位置。
圖4.六步電機換向控制方案：——
前面的示例使用無刷直流電機電機的簡化模型。通常，無刷直流電機電機的磁極和線圈比圖中顯示的要多。使用的線圈和轉子磁極越多，對磁鐵的控制就越精細。磁體可以實現為多個彼此相鄰的條形磁體，其中相鄰的磁體具有彼此相反的極性。使用更多磁體會增加霍爾傳感器在給定時間內看到的狀態轉換次數，從而減少轉子必須旋轉多少才能使霍爾傳感器循環通過所有可能的狀態。
三個霍爾位置傳感器的放置應使其各自輸出之間的角度差相互偏移120°。這個角度被稱為電角度，它可能與設備彼此機械放置的實際角度不同。從電機軸的中心，每個傳感器的間隔度數（機械角度）可以設置為2/[極數]×120°，以創建必要的120電氣角度。
在圖1和圖2中簡化的兩極示例中，機械角和電角相等。然而，對于具有更多磁極的系統，電角和機械角不相等，因為磁極數量增加會減少循環通過不同霍爾輸出狀態組合的時間。為了說明這一點，假設系統中有12個磁極（6個北極和6個南極）。為了在這個12極系統中的霍爾鎖存器之間獲得120度的電氣分離，霍爾位置傳感器可以放置成機械上彼此相差±20度。
