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        直流無刷電機弦波式換相原則

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        梯形波式換相對直流無刷電機來說不能達到一個平滑和精確的控制,尤其是在低速運行的情況下。而弦波式換相就可以解決這些問題。

         

        直流無刷電機的弦波式控制方式主要是通過同時控制三組線圈的電流,讓他們在直流無刷電機旋轉過程中平滑地以弦波形式變化。三組線圈的電流被實時地控制以達到一個大小恒定且保持與轉子磁場方向垂直的矢量。相對于梯形波式換相,這種換相方式可消除力矩的波動和換相時候的電流跳動。

         

        在旋轉過程中,為了讓直流無刷電機的電流更接近于平滑的弦波形式,我們就需要用一個高精度的傳感器來精確測量轉子的轉動位置。而霍爾信號只能做出粗糙的測量,完全達不到這種高精度要求,所以我們就需要用編碼器或者類似的裝置來達到我們的要求。

         

        直流無刷電機驅動的弦波式換相的框架圖。這種方式具有兩路獨立的電流控制環,以此來對電機的兩路線圈進行實時控制。因為直流無刷電機是 WYE 型接線,所以第三組線圈的電流與另兩組線圈的電流總和大小相等,但方向相反(牛頓電流定律),因此我們不能單獨地控制第三組線圈的電流。

         

        直流無刷電機驅動器弦波換相圖


        因為三組線圈的電流必須被組合成一組穩定的直流無刷電機旋轉矢量電流,而且這三組線圈相互保持120 度的角度,所以三組電流必須為弦波形式,而且保持 120 度的相位差。位置編碼器主要用來提供兩路弦波信號,而且相互間隔 120 度。這兩路信號將和力矩控制信號相互疊加成一個放大的弦波式信號以得到對直流無刷電機的控制力矩。這兩路電流信號經過相位的疊加形成讓直流無刷電機轉動的電流矢量。

         

        兩路電機線圈的電流信號經過整定而得到的弦波信號將被輸入到一對 P-I 控制器里。由于第三路線圈電流是另兩路的負向疊加,所以我們無需控制它。每路 P-I 控制器的輸出信號將被接入 PWM 進行調制,并通過橋路輸入到直流無刷電機的線圈中。第三路線圈的控制電壓為另兩路線圈電壓的負向疊加,而這三路的控制電壓依然保持 120 度的相位角。為了讓實際輸出的電流波形精確地與電流控制信號吻合,所以經過整定的電流控制矢量就必須像我們所需要的那樣旋轉平滑,大小穩定,并且一直保持和轉子磁場方向垂直。

        弦波式換相能得到梯形波式換相所不能達到的對直流無刷電機的平滑控制。然而,這種理想的方式只能對電機低速運動起到非常好的平滑作用,而對于直流無刷電機的高速運動則沒有任何作用。因為當速度起來后,電流環控制器必須跟蹤頻率不斷提高的弦波信號,而且還要克服振幅和頻率不斷提高的電機反電動勢。

         

        直流無刷電機弦波控制


        因為 P-I 控制器的增益和響應頻率是有限制的,所以這種電流環控制的不穩定性很容易引起電流的相位滯后和控制誤差。速度越高,誤差越大。這也導致定子電流矢量的方向不能穩定地跟隨轉子的旋轉磁場,偏離于有效的垂直方向。這就使得直流無刷電機輸出的力矩變小,因此我們就需要更多的電流來保持電機的力矩。這也就表示直流無刷電機的工作效率降低了。

         

        直流無刷電機轉速越高,這種情況越惡化。在某種狀態下,直流無刷電機電流的方向偏移會達到 90 度之多,當這個時候,直流無刷電機的力矩會減小為零。在采用弦波式換相的情況下,如果速度高于上述的狀態時,直流無刷電機會輸出負力矩,但這是不可能發生的事。


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