無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)

　　無刷直流電機(jī)(BLDC)又被稱為電子換向電機(jī)，相比傳統(tǒng)有刷電機(jī)，其內(nèi)部轉(zhuǎn)子由電線繞組改為永磁體，碳刷由電子換向器取代，外部直流電通過電子換向器產(chǎn)生交流電，進(jìn)而驅(qū)動電機(jī)。伴隨著機(jī)械與電子的科技發(fā)展，無刷直流電動機(jī)在社會生產(chǎn)生活中占據(jù)著越來越重要的地位，本著可塑性寬，工作穩(wěn)定的特點(diǎn)，無刷直流電動機(jī)的使用也日益壯大。本設(shè)計(jì)是基于有位傳感器的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，通過無刷直流電機(jī)的工作原理，采用三相全橋驅(qū)動電路，設(shè)計(jì)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，其能實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)和轉(zhuǎn)速可顯示。整個(gè)設(shè)計(jì)通過仿真軟件實(shí)現(xiàn)，分析了無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，定子電流，線電壓等。

　　無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、出力大和效率高，在機(jī)器人、家用電器等場景中使用非常廣泛。例如，現(xiàn)在很多人形機(jī)器人、四足機(jī)器人、機(jī)械臂、無人機(jī)及云臺都會用到無刷電機(jī)。

　　常見到無刷直流電機(jī)（BLCD）和永磁同步電機(jī) （PMSM），它們的結(jié)構(gòu)大體相同，存在細(xì)微的結(jié)構(gòu)差異，所以直流無刷電機(jī)常采用梯形波或方波驅(qū)動，永磁同步電機(jī)更多使用正弦波驅(qū)動。

　　近年來,無刷直流電動機(jī)愈來愈多地在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用,它除了保持有刷直流電動機(jī)優(yōu)越的起動性能和調(diào)速性能以外,其最大的特點(diǎn),就是沒有換向器和電刷組成的機(jī)械接觸結(jié)構(gòu),因而具有壽命長、噪聲低、運(yùn)行可靠、維護(hù)簡便等一系列優(yōu)點(diǎn),且由于其轉(zhuǎn)速不受機(jī)械換向的限制,可在寬廣的范圍內(nèi)平滑地調(diào)速。在電動自行車上應(yīng)用無刷直流電動機(jī)來取代原來的有刷直流電動機(jī),由于采用了電子無接觸式換向,不僅延長了電機(jī)的使用壽命,而且調(diào)速方便,易于控制,運(yùn)行平穩(wěn)。本文以直流無刷電機(jī)為研究對象,以無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)為控制目標(biāo),以PWM為控制設(shè)計(jì)技術(shù),采用PIC系列單片機(jī)為主控芯片,文章主要研究其電壓換向、過流保護(hù)、欠壓保護(hù)、起動和調(diào)速和純堵轉(zhuǎn)保護(hù)等功能。文章研究包含硬件和軟件兩個(gè)方面,硬件方面實(shí)現(xiàn)的功能有:電源設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)把輸入設(shè)計(jì)、驅(qū)動電路設(shè)計(jì)、過流保護(hù)電路設(shè)計(jì)、欠壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)和換相電路設(shè)計(jì)等部分。

　　無刷操作的優(yōu)點(diǎn)

　　傳統(tǒng)電機(jī)的電刷向轉(zhuǎn)子繞組傳輸功率，當(dāng)通電時(shí)，轉(zhuǎn)入固定磁場。靜止的刷子與旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子上的旋轉(zhuǎn)金厘觸點(diǎn)之間的摩察會號致磨損。另外，由于電刷與金屬接觸不良和電列放電，可能會損失電力。

　　由于BLDC電機(jī)無需使用電劇，而是使用“電子換向器”通過消除這種磨損和功率損耗，電機(jī)的可靠性和效率得到了提高。此外，無劇直流電機(jī)與有刷直流電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)相比具有更多的優(yōu)點(diǎn)，包括更好的速度與扭短特性:更快的動態(tài)響應(yīng):無聲操作，和更高的速度范圍。

　　此外，相對于電機(jī)尺寸而言，所提供的扭矩比率更高，使其成為潛如洗衣機(jī)和電動汽車等應(yīng)用的理想選擇，因?yàn)檫@些應(yīng)用票要高功率，但緊湊和輕便是關(guān)鍵因素。(但是，應(yīng)該注意的是，電刷式直流電機(jī)確實(shí)具有較高的啟動轉(zhuǎn)矩。)

　　由于定子和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場以相同的頻率旋轉(zhuǎn)，所以BLDC電機(jī)被稱為“同步“類型，這種安排的一個(gè)好處是BLDC電機(jī)不會遇到感應(yīng)電機(jī)典型的“滑動”現(xiàn)象

　　雖然電機(jī)可以采用單相，雙相或三相型，但后者是最常見的類型，并且將在此討論。

　　BLDC電機(jī)的定子包括鋼疊片，軸向開槽以容納沿著內(nèi)周綠的偶數(shù)個(gè)繞組(圖1) 。雖然BLDC電機(jī)定子類似于感應(yīng)電機(jī)，但繞組分布不同。

　　圖1: BLDC電機(jī)救定了，顯示帶軸向繞復(fù)較開博就環(huán)。(licrochip提供!

　　轉(zhuǎn)子由永磁體和2至8個(gè)NS極對構(gòu)成，更多的磁體增加招矩并平滑掉所謂的扭矩波動，從而減少電機(jī)的功率輸出。缺點(diǎn)是更復(fù)雜的控制系統(tǒng)，成本增加和最大速度降低。

　　傳統(tǒng)上，鐵氧體磁體被用來制造永碰體，但當(dāng)代單位傾向于使用稀土磁體。雖然這些磁體更昂貴，但它們會產(chǎn)生更大的磁通密度，，從而允許轉(zhuǎn)子在給定的轉(zhuǎn)矩下變小，這些強(qiáng)大的磁鐵的使用是BLDC電機(jī)比相同尺寸的電劇式直流電機(jī)提供更高功率的關(guān)精原因。