自制 AE16 叉式經緯儀 AE16 fork altazimuth mount---(15) 無刷直流電機 BLDC

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Wongsir
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自制 AE16 叉式經緯儀 AE16 fork altazimuth mount---(15) 無刷直流電機 BLDC

文章 Wongsir » 週四 03 10月, 2013 22:07

無刷直流電機 BLDC
在自製AE16叉式經緯儀 --- (7) 電機,內文曾提及直接驅動電機,本文將詳細介紹之。直接驅動電機其實是永磁無刷電機,有無刷直流電機和無刷永磁電機兩種。

1) 無刷直流電機 (BLDCM, Brushless direct current motor)
無刷直流電機,電機內部沒有刷子和換向器。衹有定子繞線和永久磁性轉子,定子繞線產生
的反電動勢是梯形波。繞線連接到控制電子,且電子類似於換向器驅動適當的繞線;在圍繞定子旋轉的移動模式中驅動繞線。驅動的定子繞線引導轉子磁性。無刷直流
電機由電動機主體和驅動器組成,是一種典型的機電一體化產品。
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圖檔轉載自鵬芃科藝

BLDC電機優點:
1) 運行更快更安靜,需要電子以控制旋轉場
2) 可以低速大功率運行,可以省去減速機直接驅動大的負載
3) 轉矩特性優異,中、低速轉矩性能好,啟動轉矩大,啟動電流小
4) 無級調速,調速範圍廣,超載能力強
5) 體積小、重量輕、出力大
6) 效率高,電機本身沒有勵磁損耗和碳刷損耗,消除了多級減速耗,綜合節電率可達20%~60%
7) 可靠性高,穩定性好,適應性強,維修與保養簡單
8.) 耐顛簸震動,噪音低,震動小,運轉平滑,壽命長
缺點:
1) 低速起動時有輕微振動,如速度加大換相頻率增大,就感覺不到振動現象了
2) 價格高,控制器要求高;
圖檔轉載自iFlight

2) 無刷永磁電機(PMSM Permanent magnet synchronus motor)
無刷永磁電機,又稱無刷AC電機、永磁同步電機(PMSM)。
其轉子上附有永磁體,而定子上則有外部換向線圈。它們不同於直流電機,主要是因為定子繞線產生的反電動勢是正弦波。無刷永磁電機的主要優勢在於它固有的高效率、運轉順暢和高可靠性。

工作原理
直流無刷電機是同步電機的一種,也就是說電機轉子的轉速受電機定子旋轉磁場的速度及轉子極數(p)影響。
力矩正比於電流,速度正比於電壓,反電動勢正比於轉速。
在轉子極數固定情況下,改變定子旋轉磁場的頻率就可以改變轉子的轉速。直流無刷電機即是將同步電機加上電子式控制 (驅動器),控制定子旋轉磁場的頻率並將電機轉子的轉速回授至控制中心
反復校正,以期達到接近直流電機特性的方式。也就是說直流無刷電機能夠在額定負載範圍內當負載變化時仍可以控制電機轉子維持一定的轉速。

直流無刷驅動器包括電源部及控制部:
a)電源部提供三相電源給電機
b)控制部則依需求轉換輸入電源頻率

a) 電源部
電源部可以直接以直流電輸入(一般為24v)或以交流電輸入(110v/220 v),如果輸入是交流電就得先經轉換器(converter)轉成直流。不論是直流電輸入或交流電輸入要轉入電機線圈
前須先將直流電壓由換流器(inverter)轉成三相電壓來驅動電機。
無刷直流電機多應用星形接法在,圖1是星形接法線圈與電子換流器的連接圖,由換流器中六個開關電晶體BG1至BG6組成的橋式電路切換通過ABC三個線圈的電流。每個開關電晶體旁並聯有續流
二極體為開關電晶體關斷時提供續流通路。

圖檔轉載自鵬芃科藝

b) 控制部
控制部則提供PWM**(脈寬調製)決定功率電晶體開關頻度及換流器換相的時機。直流無刷電機一般希望使用在當負載變動時速度可以穩定於設定值而不會變動太大的速度控制,所以電機
內部裝有能感應磁場的霍爾感測器 (hall-sensor),做為速度之閉回路控制,同時也做為相序控制的依據。但這只是用來做為速度控制並不能拿來做為定位控制。

當電機轉動起來,控制部會再根據驅動器設定的速度及加/減速率所組成的命令與霍爾感測器信號變化的速度加以比對 (或由軟體運算) 再來決定由下一組開關導通,以及導通時間長短。速度不夠則
開長,速度過頭則減短,此部份工作就由PWM來完成。PWM是決定電機轉速快或慢的方式,如何產生這樣的PWM才是要達到較精准速度控制的核心。高轉速的速度控制必須考慮到系統的時鐘
解析度是否足以掌握處理軟體指令的時間,另外對於霍爾感測器信號變化的資料存取方式也影響到處理器效能與判定正確性、即時性。至於低轉速的速度控制尤其是低速起動則因為回傳的霍爾感測器
信號變化變得更慢,怎樣擷取信號方式、處理時機以及根據電機特性適當配置控制參數值就顯得非常重要。或者速度回傳改變以編碼器 (encoder) 變化為參考,使信號解析度增加以期得到更佳的控制。
電機能夠運轉順暢而且回應良好,PID控制的恰當與否也無法忽視。直流無刷電機是閉回路控制,因此回授信號就等於是告訴控制部電機轉速距離目標速度還差多少,這就是誤差 (error)。
知道了誤差自然就要補償,方式有傳統的工程控制如PID控制。

保護措施
對於驅動器還要有保護措施,當負載過大或不當使用時會造成大電流而將功率電晶體燒毀。為了保護因電流超過規格而破壞驅動器,一般會以加大功率電晶體耐電流或加電流sensor做為保護。
其次當電機負載不小的時候,在停止轉動時由電機端回送至驅動器的能量及過電壓都將危及驅動器,這可配合過電壓保護電路加上回生能量消散電路來防治。其他尚有霍爾感測器正常與否判定也會影響
PWM控制的正確性,這可由控制部判斷並適時警告即可。

小知識**
直流脈寬調速器 PWM脈寬調製工作原理

脈寬調製的全稱為Pulse Width Modulator、簡稱PWM、直流電機調速器就是調節直流電動機速度的設備,由於直流電動機具有低轉速大力矩的特點,是交流電動機無法取代的,因此調節直流電動機
速度的設備—直流調速器,由於它的特殊性能、常被用於直流負載回路中、燈具調光或直流電動機調速。
調速器工作原理:是通過改變輸出方波的占空比使負載上的平均電流功率從0-100%變化、從而改變負載、燈光亮度/電機速度。利用脈寬調製(PWM)方式、實現調光/調速、它的優點是電源的能量功率、
能得到充分利用、電路的效率高。例如:當輸出為50%的方波時,脈寬調製(PWM)電路輸出能量功率也為50%,即幾乎所有的能量都轉換給負載。而採用常見的電阻降壓調速時,要使負載獲得電源最大
50%的功率,電源必須提供71%以上的輸出功率,這其中21%消耗在電阻的壓降及熱耗上。大部分能量在電阻上被消耗掉了、剩下才是輸出的能量、轉換效率非常低。調速器因其採用開關方式,熱耗
幾乎不存在、調速在低速時扭矩非常大、因為調速器帶有自動跟蹤PWM、另外採用脈寬調製(PWM)方式、可以使負載在工作時得到幾乎滿電源電壓、這樣有利於克服電機內在的線圈電阻而使電機產生
更大的力矩率。

參考資料:
1) 百度百科
無刷直流電機
2) 百度文庫
*直流無刷電機及其驅動技術
*無刷直流電動機控制系統
*無刷直流電機與直流變頻
3) 鵬芃科藝
無刷直流永磁電動機工作原理
http://www.pengky.cn/yongciDJ/05-wushua ... -YL22.html
4) 德州儀器 TI
電機驅動與控制:無刷直流電機 (BLDC)
http://www.ti.com.cn/lsds/ti_zh/apps/mo ... rview.page
5) 德州儀器 TI
電機驅動與控制:永磁同步電機 (PMSM)
http://www.ti.com.cn/lsds/ti_zh/apps/mo ... rview.page
6) 意法半導體 STMicroelectronics
電機控制
http://www.stmicroelectronics.com.cn/we ... apps/SE413

供應商、廠家:
1) 亞特模型店
直流無刷馬達 紅豹 5692 1340KV 4極高端內轉
http://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z ... 9721278594
2) 正科電機公司
行星減速無刷直流電機 ZGX45RBL45調速
http://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z ... 2275144745&
3) 埃庫瑪
直流無刷電機 36mm 24V 8000rpm
http://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z ... 4691129012
4) iFlight
iPower無刷雲台電機
http://www.iflight-rc.com/product/iPowe ... Motor.html
http://iflightmodel.taobao.com/category ... G&search=y
5) Crazy Motor
無刷雲台電機 9210 36N48P
http://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z ... 3553810141
6) 錦泰模型
無刷雲台電機
http://jtmx.taobao.com/?spm=2013.1.w394 ... 4.1.Fo4Tz8
7) 1987
無刷雲台電機
http://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z ... 7366477119
8.) 美琪瑞
電動單車、電動汽車用無刷電機 200SW02 72V 10Nm 3000rpm
http://item.taobao.com/item.htm?spm=201 ... 211394457a
9) Golden Motor
電動單車、電動汽車用無刷電機 500W~20KW
http://www.goldenmotor.com/
10) Alxion
Direct drive 直驅電機
http://www.alxion.com/products/stk-motors/
11) Kollmorgen
Direct drive 直驅電機
http://www.kollmorgen.com/en-us/product ... frameless/

視頻:
1) 無刷電機工作原理
http://v.youku.com/v_show/id_XMTk3NjE0NTYw.html
2) 無刷電機工作原理 第2集
http://v.youku.com/v_show/id_XMjAwNTExMzYw.html
3) 電機和電機控制的簡介:無刷直流電機(3)
http://v.youku.com/v_show/id_XMzI4MzkxMTg4.html

Wongsir
2013-10-03
附加檔案
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電動單車、電動汽車用無刷電機
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無刷雲台電機 6008
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iPower
無刷雲台電機 GBM4008
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正科
行星減速無刷直流電機
ZGX45RBL45 調速
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Kollmorgen
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最後由 Wongsir 於 週日 06 10月, 2013 11:44 編輯,總共編輯了 6 次。

sampson
紅巨星
文章: 404
註冊時間: 週二 16 7月, 2013 20:31

文章 sampson » 週四 03 10月, 2013 23:01

希望快d可以出世 [蔥寶恭喜樣]

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Eddy So
夸克星
文章: 16057
註冊時間: 週四 04 12月, 2008 22:35
來自: 中男海

文章 Eddy So » 週五 04 10月, 2013 00:12

sampson 寫:希望快d可以出世 [蔥寶恭喜樣]
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