🧖🏽 🧙🏻 😊 通过反电动势信号进行无刷电机控制-了解过程 🚶🏻 👩🏼 😼

当我开始开发用于无刷电机的控制单元时，有很多问题要问如何将真实的电机与由三个绕组和磁铁组成的抽象电路进行比较，通常每个人都会解释无刷电机的控制原理。

当我通过霍尔传感器实现控制时，我仍然仍然不真正理解除了抽象的三绕组和两极以外，引擎中正在发生什么：为什么是120度以及为什么控制算法就是这样。

当我开始理解无刷电机的无传感器控制的想法时，一切都准备就绪了。对真正铁片中发生的过程的理解有助于开发硬件并了解控制算法。

下面，我将尝试画出自己的方式来理解控制无刷直流电动机的原理。

对于无刷电动机的操作，必须像常规DPT一样在定子的旋转电磁场之后带走转子的恒定磁场。

通过使用电子控制单元切换绕组来旋转定子磁场。
无刷电动机的设计与同步电动机的设计相似，如果将无刷电动机连接到满足电动机电气参数的三相交流电网，它将可以正常工作。

无刷电机绕组的一定换向使您可以从恒定电流源对其进行控制。要了解如何制作无刷电机的换向表，您需要考虑同步交流电机的控制。

同步机
同步电机由三相交流电网络控制。发动机具有3个电绕组，相差120电度。

在发电机模式下启动三相电动机，每个电动机绕组上的恒定磁场将感应出EMF，电动机绕组将被均匀分布，在每个相上都会感应出一个正弦电压，并且这些信号将偏移1/3的时间（图1）。 EMF的形状根据正弦定律变化，正弦波的周期为2P（360），由于我们要处理的是电量（EMF，电压，电流），因此我们将其称为电度并测量其中的周期。

在每个时刻向电机施加三相电压时，每个绕组将具有一定的电流值。

图1.三相交流电源的信号视图。

每个绕组形成与绕组上的电流成比例的磁场矢量。将3个向量相加，就可以得到磁场向量。由于随着时间的流逝，电动机绕组上的电流会根据正弦定律发生变化，因此每个绕组的磁场矢量的大小都会发生变化，并且最终的总矢量会改变旋转角度，而该矢量的大小却保持不变。

图2.三相电动机的一个电周期。

图2显示了一个三相电动机的一个电周期，在该周期上指示了3个任意时刻，为了在每个时刻中建立磁场矢量，我们在圆上推迟了该周期360度。我们将放置3个相对于彼此偏移120电角度的电机绕组（图3）。

图3.力矩1.每个绕组的磁场矢量（左）和所产生的磁场矢量（右）。

沿着每个相产生一个磁场矢量，该相由电动机绕组产生。向量的方向由绕组中直流电的方向确定，如果施加到绕组的电压为正，则向量的方向与绕组相反，如果为负，则沿着绕组。向量的大小与给定时刻的相电压大小成正比。
为了获得作为结果的磁场矢量，必须根据矢量的相加法则将矢量数据相加。
同样，第二和第三时间点的构造。

图4.力矩2.每个绕组的磁场矢量（左）和合成的磁场矢量（右）。

因此，随着时间的流逝，合成矢量将平滑地改变其方向，图5显示了合成矢量，并显示了一个电周期中定子磁场的完整旋转。

图5.电动机定子上的绕组产生的旋转磁场的视图。

在该电场矢量的背后，永磁转子磁铁的磁场在每个时间点都被带走（图6）。

图6.永磁体（转子）遵循定子产生的磁场方向。

这就是同步交流电机的工作方式。

使用直流电源时，有必要在三个电机绕组上沿电流方向的变化独立形成一个电周期。由于无刷电动机在发电机模式下与同步电动机相同，并且具有相同的参数，因此有必要从图5继续进行，图5显示了所产生的旋转磁场。

恒压
直流电源只有两根导线“正功率”和“负功率”，这意味着可以仅向三个绕组中的两个供电。有必要对图5进行近似并从三相中选择可以转换为2相的所有时刻。

集合3的排列数为6，因此，有6个连接绕组的选项。
我们将描述可能的切换选项，并选择一个顺序，在该顺序中，矢量将一步一步旋转，直到到达周期结束并重新开始为止。

电周期将从第一个向量开始计数。

图7.可以通过切换三个绕组中的两个来从直流电源产生的六个磁场矢量的视图。

图5显示，当控制三相正弦电压时，有许多矢量会随时间平滑旋转，而在使用直流电进行切换时，可能仅获得6个矢量的旋转磁场，也就是说，每60电度应切换到下一步。
表1总结了图7的结果。

表1.开关电动机绕组的结果序列。

加电	负功率	绕组未连接
w ^	ü	V
w ^	V	ü
ü	V	w ^
ü	w ^	V
V	w ^	ü
V	ü	w ^

根据表1得出的控制信号的类型如图8所示。其中-V切换至负电源（GND），+ V切换至正电源。

图8.来自无刷电动机的直流电源的控制信号视图。黄色-W相，蓝色-U相，红色-V相。

但是，电动机相的真实图像类似于图1中的正弦信号。该信号形成梯形形状，因为在未连接电动机绕组的时刻，永久磁铁会感应她的EMF（图9）。

图9.在运行模式下，来自无刷电机绕组的信号类型。

在示波器上，它看起来像这样：

图10.测量电机一相时的示波器窗口视图。

设计特征
如前所述，在6个开关绕组中，形成了一个360度电度的电周期。
必须将此周期与转子的实际旋转角度联系起来。具有一对极和三叉戟定子的电机极少使用；电机具有N对极。
图11显示了具有一对磁极和两对磁极的电机模型。

一个b。
图11.具有一（a）和两（b）极对的电动机模型。

具有两对极的电动机具有6个绕组，每个绕组是成对的，每组3个绕组偏移120电角度。图12b。一期6绕组被延迟。绕组U1-U2，V1-V2，W1-W2相互连接，在设计中代表三相输出线。为了简化图片，没有显示任何连接，但是请记住，U1-U2，V1-V2，W1-W2是相同的。

图12基于表1中的数据，显示了一对和两对极点的向量。

一个b。
图12.具有一对（a）和两对（b）极对的电动机的磁场矢量图。

图13显示了由一对绕组的电动机绕组的6次换向产生的矢量。转子由永磁体组成，分6步转子将旋转360度机械角。
该图示出了转子的末端位置，在两个相邻位置之间的间隔中，转子从前一个换向状态旋转到下一个换向状态。当转子到达该终点位置时，应进行下一个开关，转子趋向于新的预设位置，以使其磁场矢量与定子电磁场矢量对齐。

图13.带有一对磁极的无刷电机的六速换向转子的最终位置。

在具有N个极对的电动机中，必须经过N个电周期才能完成完整的机械旋转。
具有两对极的电动机将具有两个带有S和N极的磁体以及6个绕组（图14）。每组3个绕组彼此偏移120电角度。

        图14.具有两对磁极的无刷电动机的六速换向期间的转子最终位置。

确定无刷电动机的转子位置
如前所述，为了使电动机运行，必须在正确的时间将电压连接到必要的定子绕组。必须根据转子的位置向电动机绕组施加电压，以使定子的磁场始终领先于转子的磁场。为了确定电动机转子的位置并切换绕组，使用了电子控制单元。
可以通过以下几种方式跟踪转子的位置：
      1.通过霍尔传感器
      2.通过反电动势
通常，制造商在释放时为霍尔传感器配备发动机，因此这是最常见的控制方法。
根据反电动势的信号来切换绕组，使您可以放弃内置在电动机中的传感器，并将对电动机自由相的分析用作传感器，这将由反电动势的磁场引起。

带霍尔传感器的无刷电机的管理
为了在正确的时间切换绕组，有必要以电角度监控转子的位置。为此，使用霍尔传感器。
由于磁场矢量有6种状态，因此需要3个霍尔传感器，这将代表一个具有三位输出的绝对位置传感器。霍尔传感器也作为绕组安装，相差120电角度。这允许将转子磁体用作传感器的作用元件。

图15.来自霍尔传感器的信号，用于发动机旋转一圈。

为了使电动机旋转，必须使定子磁场位于转子磁场之前，转子磁场矢量与定子磁场矢量对齐时的位置对于该切换是最终的，这时应切换到下一个组合，以防止转子悬挂在静止位置。位置。
让我们将霍尔传感器的信号与需要切换的相位组合进行比较（表2）

表2。霍尔传感器的信号与电机相位的切换比较。

引擎位置	胡（1）	高压（2）	硬件（3）	ü	V	w ^
0	0	0	1个	0	--	+
	1个	0	1个	+	--	0
	1个	0	0	+	0	--
	1个	1个	0	0	+	--
	0	1个	0	--	+	0
360 / N	0	1个	1个	--	0	+

在发动机均匀旋转的情况下，会从传感器接收到一个信号，该信号偏移了周期的1/6（60电度）（图16）。

图16.霍尔传感器发出的信号视图。

EMF控制
有些无刷电机没有位置传感器。转子的位置通过分析电动机自由相中的EMF信号来确定。在每个时间点，“ +”相之一连接到另一个“-”电源，相之一保持空闲。旋转时，转子的磁场在自由绕组中感应出一个电动势。随着旋转，自由相中的电压发生变化（图17）。

                                                 图17.电动机相位上的电压变化。

电机绕组的信号分为4个点：
   1.绕组连接到0
   2.绕组未连接（自由相）
   3.绕组连接到电源电压
   4.绕组未连接（自由相）
比较相位信号与控制信号，我们看到可以通过中点（电源电压的一半）与当前未连接的相位的交点来检测转换到下一状态的时刻（图18）。

图18.控制信号与电动机各相信号的比较。

检测到相交后，请暂停并启用下一个状态。根据该图，编译了用于切换绕组状态的算法（表3）。

表3.电机绕组切换算法

现况	ü	V	w ^	下一个状态
1个	--	等待中点从+穿越到-	+	2
2	等待中点从-越过+	--	+	3
3	+	--	等待中点从+穿越到-	4
4	+	等待中点从-越过+	--	5
5	等待中点从+穿越到-	+	--	6
6	--	+	等待中点从-越过+	1个