無刷直流電機(jī)：如何通過 6 通道換向編碼器實(shí)現(xiàn)最佳效率
[導(dǎo)讀]在現(xiàn)今需要高強(qiáng)度伺服電機(jī)應(yīng)用的電腦數(shù)值控制工具(數(shù)控機(jī)床)、電梯以及中到大型工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中，對(duì)于電源效率、轉(zhuǎn)矩、軸向振動(dòng)和抗噪聲能力的要求已經(jīng)成為控制系統(tǒng)和編碼器的主要設(shè)計(jì)考量。因此，永磁同步電動(dòng)機(jī)(P
在現(xiàn)今需要高強(qiáng)度伺服電機(jī)應(yīng)用的電腦數(shù)值控制工具(數(shù)控機(jī)床)、電梯以及中到大型工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中，對(duì)于電源效率、轉(zhuǎn)矩、軸向振動(dòng)和抗噪聲能力的要求已經(jīng)成為控制系統(tǒng)和編碼器的主要設(shè)計(jì)考量。因此，永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM，Permanent Magnet Synchronous Motors)，特別是無刷直流電機(jī)(BLDC，Brushless DC motors)的制造商，無不持續(xù)尋找可以通過更高速度提供更佳精確度的編碼器解決方案，并且可以穩(wěn)健地在環(huán)境中運(yùn)行。
為了滿足這一需求，對(duì)6通道換向編碼器進(jìn)行了改進(jìn)，使之達(dá)到250kHz的頻率響應(yīng)、更靈活的極對(duì)數(shù)，并采用可處理軸向振動(dòng)問題的特殊錐形軸設(shè)計(jì)，以及帶來屏蔽接地以支持苛刻工作條件要求的額外電子電路。
無刷直流電機(jī)介紹
無刷直流電機(jī)由兩個(gè)主要部分組成，分別為轉(zhuǎn)子和定子。其中，轉(zhuǎn)子為永磁式磁鐵，定子則由以120°電子角分離，纏繞在軟金屬的電樞繞組構(gòu)成。系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路提供流經(jīng)定子繞組的相位電流，這個(gè)動(dòng)作產(chǎn)生了可以推動(dòng)轉(zhuǎn)子的不同相位磁場(chǎng)，在本篇文章的討論中將把這些相位分別命名為U、V和W。典型的閉環(huán)反饋系統(tǒng)如圖1所示。
無刷直流電機(jī)由兩個(gè)主要部分組成，分別為轉(zhuǎn)子和定子。其中，轉(zhuǎn)子為永磁式磁鐵，定子則由以120°電子角分離，纏繞在軟金屬的電樞繞組構(gòu)成。系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路提供流經(jīng)定子繞組的相位電流，這個(gè)動(dòng)作產(chǎn)生了可以推動(dòng)轉(zhuǎn)子的不同相位磁場(chǎng)，在本篇文章的討論中將把這些相位分別命名為U、V和W。典型的閉環(huán)反饋系統(tǒng)如圖1所示。
圖1 BLDC無刷直流電機(jī)閉環(huán)反饋系統(tǒng)的基本框圖
增加轉(zhuǎn)子中的極對(duì)數(shù)可以提高電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)，極對(duì)數(shù)的增加可以通過選擇正確的磁性材料或加大轉(zhuǎn)子的直徑達(dá)成。
對(duì)于直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)矩速度比必須平坦，要維持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩，也就是把轉(zhuǎn)子的紋波保持在最低，轉(zhuǎn)子中的極對(duì)數(shù)必須夠高，因此，在實(shí)際應(yīng)用中通常使用8、10、20甚至高達(dá)30個(gè)極對(duì)數(shù)，這也逐漸成為這類型電動(dòng)機(jī)應(yīng)用的常見配置。
無刷直流電機(jī)的應(yīng)用要求
無刷直流電機(jī)在工業(yè)界中廣泛使用，高強(qiáng)度工業(yè)應(yīng)用，如研磨、搪磨和銑削過程的數(shù)值機(jī)床，就需要最小紋波的穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩；然而在中大型工業(yè)應(yīng)用中，如金屬和木材加工機(jī)械，轉(zhuǎn)矩控制和負(fù)載剛度就成為關(guān)鍵的考量。另一方面，對(duì)于電梯用的牽引電動(dòng)機(jī)，穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩/速度比則是主要的考慮因素。
如果需要更高的轉(zhuǎn)距和效率，或更穩(wěn)定平穩(wěn)的驅(qū)動(dòng)，也就是降低轉(zhuǎn)矩紋波，無刷直流電機(jī)的極對(duì)數(shù)就必須隨著轉(zhuǎn)矩一同提高。通常，高轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)搭配強(qiáng)大的稀土磁體，像釹鐵硼(Nd-Fe-B)，電動(dòng)機(jī)直徑較大，可以加入較多極對(duì)數(shù)以及相對(duì)短許多的極對(duì)長(zhǎng)度。作為示例，1m直徑和6英寸長(zhǎng)的極對(duì)就經(jīng)常應(yīng)用在電梯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。
對(duì)于高強(qiáng)度應(yīng)用以及中到大型工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)距就成為考量的關(guān)鍵因素，通常，用來改善功率因數(shù)、效率和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩大小的方法是提高轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)和定子的繞組。
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