圖解 | 電動車無刷電機(jī)控制器驅(qū)動電路原理

無刷直流電動機(jī)的組成與工作原理

(1)無刷電動機(jī)的組成

無刷直流電動機(jī)由轉(zhuǎn)子和定子兩大部分組成，如圖3所示。

(2)無刷直流電動機(jī)的工作原理

無刷直流電動機(jī)采用方波自控式永磁同步電動機(jī)，以霍爾傳感器取代電刷換向器，霍爾傳感器的信號線傳遞電動機(jī)里面磁鋼相對于繞組線圈的位根據(jù)3個(gè)霍爾傳感器的信號能知道此時(shí)應(yīng)該怎樣給電動機(jī)的線圈供電(不同的霍爾信應(yīng)該給電動機(jī)繞組提供相對應(yīng)方向的電流)，也就是說霍爾傳感器狀態(tài)不一樣，線圈的置號電流方向不一樣。

霍爾信號傳遞給控制器，控制器通過粗線(不是霍爾線)給電動機(jī)繞組供電，電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，磁鋼與繞組(準(zhǔn)確地說是纏在定子上的線圈，其實(shí)霍爾一般安裝在定子上)發(fā)生轉(zhuǎn)動，霍爾傳感器感應(yīng)出新的位置信號，控制器粗線又給重新改變電流方向的電動機(jī)繞組供電，電動機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)(當(dāng)繞組和磁鋼的位置發(fā)生變化時(shí)，繞組必須對應(yīng)地改變電流方向，這樣電動機(jī)才能繼續(xù)向一個(gè)方向運(yùn)動，否則電動機(jī)就會在某一個(gè)位置左右擺動，而不是連續(xù)旋轉(zhuǎn))，這個(gè)過程就是電子換向。

無刷直流電動機(jī)由直流電源供電，借助位置傳感器來檢測轉(zhuǎn)子的位置，所檢測出的信號觸發(fā)相應(yīng)的電子換相線路，以實(shí)現(xiàn)無接觸式換相。

無刷直流電動機(jī)用電子開關(guān)和位置傳感器代替電刷及換向器，將直流電轉(zhuǎn)換成模擬三相交流電，通過調(diào)制脈寬，改變其電流大小來改變轉(zhuǎn)速。

直流無刷電機(jī)的控制結(jié)構(gòu)

直流無刷電機(jī)是同步電機(jī)的一種，也就是說電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度及轉(zhuǎn)子極數(shù)(P)影響：

N=120.F/P。在轉(zhuǎn)子極數(shù)固定情況下，改變定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。直流無刷電機(jī)即是將同步電機(jī)加上電子式控制(驅(qū)動器)，控制定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率并將電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速回授至控制中心反復(fù)校正，以期達(dá)到接近直流電機(jī)特性的方式。也就是說直流無刷電機(jī)能夠在額定負(fù)載范圍內(nèi)當(dāng)負(fù)載變化時(shí)仍可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)子維持一定的轉(zhuǎn)速。

直流無刷驅(qū)動器包括電源部及控制部如圖(1)：電源部提供三相電源給電機(jī)，控制部則依需求轉(zhuǎn)換輸入電源頻率。

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/220V)，如果輸入是交流電就得先經(jīng)轉(zhuǎn)換器(CONVERTER)轉(zhuǎn)成直流。不論是直流電輸入或交流電輸入要轉(zhuǎn)入電機(jī)線圈前須先將直流電壓由換流器(INVERTER)轉(zhuǎn)成3相電壓來驅(qū)動電機(jī)。換流器(INVERTER)一般由6個(gè)功率晶體管(Q1～Q6)分為上臂(Q1、Q3、Q5)/下臂(Q2、Q4、Q6)連接電機(jī)作為控制流經(jīng)電機(jī)線圈的開關(guān)。

控制部則提供PWM(脈沖寬度調(diào)制)決定功率晶體管開關(guān)頻度及換流器(INVERTER)換相的時(shí)機(jī)。直流無刷電機(jī)一般希望使用在當(dāng)負(fù)載變動時(shí)速度可以穩(wěn)定于設(shè)定值而不會變動太大的速度控制，所以電機(jī)內(nèi)部裝有能感應(yīng)磁場的霍爾傳感器(HALL-SENSOR)，做為速度之閉回路控制，同時(shí)也做為相序控制的依據(jù)。但這只是用來做為速度控制并不能拿來做為定位控制。

直流無刷電機(jī)的控制原理

要讓電機(jī)轉(zhuǎn)動起來，首先控制部就必須根據(jù)HALL-SENSOR感應(yīng)到的電機(jī)轉(zhuǎn)子目前所在位置，然后依照定子繞線決定開啟(或關(guān)閉)換流器(INVERTER)中功率晶體管的順序，如下(圖二)INVERTER中之AH、BH、CH(這些稱為上臂功率晶體管)及AL、BL、CL(這些稱為下臂功率晶體管)，使電流依序流經(jīng)電機(jī)線圈產(chǎn)生順向(或逆向)旋轉(zhuǎn)磁場，并與轉(zhuǎn)子的磁鐵相互作用，如此就能使電機(jī)順時(shí)/逆時(shí)轉(zhuǎn)動。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到HALL-SENSOR感應(yīng)出另一組信號的位置時(shí)，控制部又再開啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)電機(jī)就可以依同一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動直到控制部決定要電機(jī)轉(zhuǎn)子停止則關(guān)閉功率晶體管(或只開下臂功率晶體管);要電機(jī)轉(zhuǎn)子反向則功率晶體管開啟順序相反。

基本上功率晶體管的開法可舉例如下：

AH、BL一組→AH、CL一組→BH、CL一組→BH、AL一組→CH、AL一組→CH、BL一組，但絕不能開成AH、AL或BH、BL或CH、CL。此外因?yàn)殡娮恿慵傆虚_關(guān)的響應(yīng)時(shí)間，所以功率晶體管在關(guān)與開的交錯(cuò)時(shí)間要將零件的響應(yīng)時(shí)間考慮進(jìn)去，否則當(dāng)上臂(或下臂)尚未完全關(guān)閉，下臂(或上臂)就已開啟，結(jié)果就造成上、下臂短路而使功率晶體管燒毀。

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動起來，控制部會再根據(jù)驅(qū)動器設(shè)定的速度及加/減速率所組成的命令(COMMAND)與HALL-SENSOR信號變化的速度加以比對(或由軟件運(yùn)算)再來決定由下一組(AH、BL或AH、CL或BH、CL或……)開關(guān)導(dǎo)通，以及導(dǎo)通時(shí)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(jī)轉(zhuǎn)速快或慢的方式，如何產(chǎn)生這樣的PWM才是要達(dá)到較精準(zhǔn)速度控制的核心。高轉(zhuǎn)速的速度控制必須考慮到系統(tǒng)的CLOCK分辨率是否足以掌握處理軟件指令的時(shí)間，另外對于HALL-SENSOR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、實(shí)時(shí)性。至于低轉(zhuǎn)速的速度控制尤其是低速起動則因?yàn)榛貍鞯腍ALL-SENSOR信號變化變得更慢，怎樣擷取信號方式、處理時(shí)機(jī)以及根據(jù)電機(jī)特性適當(dāng)配置控制參數(shù)值就顯得非常重要?；蛘咚俣然貍鞲淖円訣NCODER變化為參考，使信號分辨率增加以期得到更佳的控制。電機(jī)能夠運(yùn)轉(zhuǎn)順暢而且響應(yīng)良好，P.I.D.控制的恰當(dāng)與否也無法忽視。

之前提到直流無刷電機(jī)是閉回路控制，因此回授信號就等于是告訴控制部現(xiàn)在電機(jī)轉(zhuǎn)速距離目標(biāo)速度還差多少，這就是誤差(ERROR)。知道了誤差自然就要補(bǔ)償，方式有傳統(tǒng)的工程控制如P.I.D.控制。但控制的狀態(tài)及環(huán)境其實(shí)是復(fù)雜多變的，若要控制的堅(jiān)固耐用則要考慮的因素恐怕不是傳統(tǒng)的工程控制能完全掌握，所以模糊控制、專家系統(tǒng)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也將被納入成為智能型P.I.D.控制的重要理論。

48V無刷電機(jī)電動車接線原理

八根線，三根粗線是黃藍(lán)綠個(gè)別車不一樣，五根霍爾線，紅黑藍(lán)綠黃。五根霍爾線里面紅黑絕對不可以接錯(cuò)顏色，其他三根細(xì)線按顏色接。三根粗線按顏色接，接上之后也可能會電機(jī)發(fā)抖，不轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，可以把三根粗線隨意搭配連接，細(xì)線除了紅黑不能亂，其他的三根也可以隨意搭配連接。

電動車無刷電機(jī)控制器驅(qū)動電路圖

來源：電子發(fā)燒友網(wǎng)