無刷電機(jī)控制器的原理及其構(gòu)造
無刷直流電機(jī)由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。由于無刷直流電動(dòng)機(jī)是以自控式運(yùn)行的，所以不會(huì)像變頻調(diào)速下重載啟動(dòng)的同步電機(jī)那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動(dòng)繞組，也不會(huì)在負(fù)載突變時(shí)產(chǎn)生振蕩和失步。中小容量的無刷直流電動(dòng)機(jī)的永磁體，現(xiàn)在多采用高磁能級的稀土釹鐵硼(Nd-Fe-B)材料。因此，稀土永磁無刷電動(dòng)機(jī)的體積比同容量三相異步電動(dòng)機(jī)縮小了一個(gè)機(jī)座號。
工作原理
無刷直流電動(dòng)機(jī)是采用半導(dǎo)體開關(guān)器件來實(shí)現(xiàn)電子換向的，即用電子開關(guān)器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸式換向器和電刷。它具有可靠性高、無換向火花、機(jī)械噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高檔錄音座、錄像機(jī)、電子儀器及自動(dòng)化辦公設(shè)備中。
無刷直流電動(dòng)機(jī)由永磁體轉(zhuǎn)子、多極繞組定子、位置傳感器等組成。位置傳感按轉(zhuǎn)子位置的變化，沿著一定次序?qū)Χㄗ永@組的電流進(jìn)行換流(即檢測轉(zhuǎn)子磁極相對定子繞組的位置，并在確定的位置處產(chǎn)生位置傳感信號，經(jīng)信號轉(zhuǎn)換電路處理后去控制功率開關(guān)電路，按一定的邏輯關(guān)系進(jìn)行繞組電流切換)。定子繞組的工作電壓由位置傳感器輸出控制的電子開關(guān)電路提供。
位置傳感器有磁敏式、光電式和電磁式三種類型。
采用磁敏式位置傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī)，其磁敏傳感器件(例如霍爾元件、磁敏二極管、磁敏詁極管、磁敏電阻器或?qū)Ｓ眉呻娐返?裝在定子組件上，用來檢測永磁體、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的磁場變化。
采用光電式位置傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī)，在定子組件上按一定位置配置了光電傳感器件，轉(zhuǎn)子上裝有遮光板，光源為發(fā)光二極管或小燈泡。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件將會(huì)按一定頻率間歇間生脈沖信號。
采用電磁式位置傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī)，是在定子組件上安裝有電磁傳感器部件(例如耦合變壓器、接近開關(guān)、LC諧振電路等)，當(dāng)永磁體轉(zhuǎn)子位置發(fā)生變化時(shí)，電磁效應(yīng)將使電磁傳感器產(chǎn)生高頻調(diào)制信號(其幅值隨轉(zhuǎn)子位置而變化)。
結(jié)構(gòu)解析
結(jié)構(gòu)上，無刷電機(jī)和有刷電機(jī)有相似之處，也有轉(zhuǎn)子和定子，只不過和有刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)相反;有刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子是線圈繞組，和動(dòng)力輸出軸相連，定子是永磁磁鋼;無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子是永磁磁鋼，連同外殼一起和輸出軸相連，定子是繞組線圈，去掉了有刷電機(jī)用來交替變換電磁場的換向電刷，故稱之為無刷電機(jī)(Brushless motor)，那現(xiàn)在就有問題了，沒有了電磁場的變換，如何讓無刷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)呢?
簡單而言，依靠改變輸入到無刷電機(jī)定子線圈上的電流波交變頻率和波形，在繞組線圈周圍形成一個(gè)繞電機(jī)幾何軸心旋轉(zhuǎn)的磁場，這個(gè)磁場驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子上的永磁磁鋼轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)就轉(zhuǎn)起來了，電機(jī)的性能和磁鋼數(shù)量、磁鋼磁通強(qiáng)度、電機(jī)輸入電壓大小等因素有關(guān)，更與無刷電機(jī)的控制性能有很大關(guān)系，因?yàn)檩斎氲氖侵绷麟?，電流需要電子調(diào)速器將其變成3相交流電，還需要從遙控器接收機(jī)那里接收控制信號，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以滿足模型使用需要。 總的來說，無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)是比較簡單的，真正決定其使用性能的還是無刷電子調(diào)速器，好的電子調(diào)速器需要有單片機(jī)控制程序設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、復(fù)雜加工工藝等過程的總體控制，所以價(jià)格要比有刷電機(jī)高出很多。
相關(guān)對比
有刷電機(jī)缺點(diǎn)
(1)摩擦大，損耗大
老模友們在以前玩有刷電機(jī)的時(shí)候都碰到這個(gè)問題，那就是使用電機(jī)一段時(shí)間以后，需要打開電機(jī)來清理電機(jī)的碳刷，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，維護(hù)強(qiáng)度不亞于來一次家庭大掃除。
(2)發(fā)熱大，壽命短
由于有刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)原因，電刷和換向器的接觸電阻很大，造成電機(jī)整體電阻較大，容易發(fā)熱，而永磁體是熱敏元件，如果溫度太高的話，磁鋼是會(huì)退磁的，使電機(jī)性能下降，影響有刷電機(jī)的壽命。
(3)效率低，輸出功率小
上面說到的有刷電機(jī)發(fā)熱問題，很大程度是因?yàn)殡娏髯龉υ陔姍C(jī)內(nèi)部電阻上了，所以電能有很大程度轉(zhuǎn)化為了熱能，所以有刷電機(jī)的輸出功率不大，效率也不高。
無刷電機(jī)優(yōu)點(diǎn)
(1)無電刷、低干擾
無刷電機(jī)去除了電刷，最直接的變化就是沒有了有刷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的電火花，這樣就極大減少了電火花對遙控?zé)o線電設(shè)備的干擾。
(2)噪音低，運(yùn)轉(zhuǎn)順暢
無刷電機(jī)沒有了電刷，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)摩擦力大大減小，運(yùn)行順暢，噪音會(huì)低許多，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)對于模型運(yùn)行穩(wěn)定性是一個(gè)巨大的支持。
(3)壽命長，低維護(hù)成本
少了電刷，無刷電機(jī)的磨損主要是在軸承上了，從機(jī)械角度看，無刷電機(jī)幾乎是一種免維護(hù)的電動(dòng)機(jī)了，必要的時(shí)候，只需做一些除塵維護(hù)即可。上下一比較，就知道無刷電機(jī)相對于有刷電機(jī)的優(yōu)勢在哪里了，但是萬事都不是絕對的，有刷電機(jī)低速扭力性能優(yōu)異、轉(zhuǎn)矩大等性能特點(diǎn)是無刷電機(jī)不可替代的，不過就無刷電機(jī)的使用方便性來看，隨著無刷控制器的成本下降趨勢和國內(nèi)外無刷技術(shù)的發(fā)展與市場競爭，無刷動(dòng)力系統(tǒng)正在高速的發(fā)展與普及階段，這也極大促進(jìn)了模型運(yùn)動(dòng)的發(fā)展。
其他區(qū)別
(1)適用范圍：
無刷電機(jī)：通常被使用在控制要求比較高，轉(zhuǎn)速比較高的設(shè)備上，如航模，精密儀器儀表等對電機(jī)轉(zhuǎn)速控制嚴(yán)格，轉(zhuǎn)速達(dá)到很高的設(shè)備上。
碳刷電機(jī)：通常動(dòng)力設(shè)備使用的都是有刷電機(jī)，如吹風(fēng)機(jī)、工廠的電動(dòng)機(jī)、家用的抽油煙機(jī)等等，另外串激電機(jī)的轉(zhuǎn)速也能達(dá)到很高，但是由于碳刷的磨損，使用壽命不如無刷電機(jī)。
(2)使用壽命：
無刷電機(jī)：通常使用壽命在幾萬小時(shí)這個(gè)數(shù)量級，但是由于軸承的不同無刷電機(jī)使用壽命也有很大不同。
碳刷電機(jī)：通常有刷電機(jī)的連續(xù)工作壽命在幾百到1千多個(gè)小時(shí)，到達(dá)使用極限就需要更換碳刷，不然很容易造成軸承的磨損。
(3)使用效果：
無刷電機(jī)：通常是數(shù)字變頻控制，可控性強(qiáng)，從每分鐘幾轉(zhuǎn)，到每分鐘幾萬轉(zhuǎn)都可以很容易實(shí)現(xiàn)。
碳刷電機(jī)：舊碳刷電機(jī)一般啟動(dòng)以后工作轉(zhuǎn)速恒定，調(diào)速不是很容易，串激電機(jī)也能達(dá)到20000轉(zhuǎn)/分，但是使用壽命會(huì)比較短。
(4)節(jié)能方面：
相對而言，無刷電機(jī)采用變頻技術(shù)控制的會(huì)比串激電機(jī)節(jié)能很多，最典型的就是變頻空調(diào)和冰箱。
(5)日后維修方面：
碳刷電機(jī)需要更換碳刷，如果更換不及時(shí)會(huì)造成電機(jī)的損壞，而無刷電機(jī)，使用壽命很長，通常是有刷電機(jī)的10倍以上，但是壞了就需要更換電機(jī)，但日常維護(hù)基本不需要。
(6)噪音方面與是否是有刷電機(jī)無關(guān)，主要是看軸承和電機(jī)內(nèi)部組件的配合情況。
(7)模型無刷電機(jī)的參數(shù)指標(biāo)，除了外形尺寸(外徑、長度、軸徑等)、重量、電壓范圍、空載電流、最大電流等參數(shù)外，還少不了一個(gè)重要指標(biāo)KV值，這個(gè)數(shù)值是無刷電機(jī)獨(dú)有的一個(gè)性能參數(shù)，是判斷無刷電機(jī)性能特點(diǎn)的一個(gè)重要數(shù)據(jù)。
動(dòng)車采用的電機(jī)分有刷電機(jī)和無刷電機(jī)兩種，由于無刷電機(jī)具有噪聲低、壽命長的特點(diǎn)，因而在電動(dòng)車中獲得比較廣泛應(yīng)用。無刷電機(jī)的控制器復(fù)雜
無刷電機(jī)用電子換向器代替了有刷電機(jī)的機(jī)械換向器，因而控制方法也就大不相同，復(fù)雜程度明顯提高。
無刷電機(jī)A、B、C三相繞組的輪流通電，完成換相要求，電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
電機(jī)的霍爾信號、轉(zhuǎn)把信號、過流檢測信號、剎車信號等都直接輸入給單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行處理，并由單片機(jī)輸出電子換向器三個(gè)橋臂的前級驅(qū)動(dòng)信號，以控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，因而單片機(jī)主控電路是無刷電機(jī)控制器的心臟部分。
霍爾信號檢測電路 ：通過檢測無刷電機(jī)的控制器的霍爾信號，此信號來自輪轂電機(jī)的內(nèi)部，用于決定電機(jī)的換向時(shí)刻。
剎車信號電路 ：
對于電動(dòng)自行車，當(dāng)手把剎車時(shí)，單片機(jī)得到剎車信號，無刷電機(jī)控制器停止輸出控制信號，電機(jī)斷電，這稱為剎車斷電，對于有些無刷控制器，當(dāng)單片機(jī)得到剎車信號時(shí)，則輸出控制信號，強(qiáng)制電機(jī)抱住，使電機(jī)不能轉(zhuǎn)動(dòng)，這稱為電剎車。
當(dāng)BK信號端為低電平，則單片機(jī)第7 腳得到低電平剎車信號，通知無刷控制器完成剎車過程。當(dāng)HBK端為高電平時(shí)，通過電阻R66、R81、R88及三極管VT20完成電平轉(zhuǎn)換，三極管VT20 的集電極變?yōu)榈碗娖?，單片機(jī)第7腳為低，通知無刷控制器完成剎車動(dòng)作。
電機(jī)線無刷電機(jī)控制器電機(jī)線有3根，稱為A、B、C相線，一般黃線為A相，藍(lán)線為B相，綠線為C相限速線國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電動(dòng)車的最高限速 為20km/h，因此各無刷電機(jī)控制器廠家生產(chǎn)的控制器出廠時(shí)都留有如圖7 中的D號線，當(dāng)插頭插上，則電動(dòng)車 限速為20km/h，符合國家標(biāo)準(zhǔn)，如斷 開，則電動(dòng)車速度將大于20km/h，方 便用戶選擇。
剎車線剎車線連接到電動(dòng)車的把手開關(guān)上，當(dāng)剎車時(shí)開關(guān)動(dòng)作，剎車信號送入單片機(jī)，執(zhí)行剎車斷電或剎車抱死動(dòng)作。
速度線速度線與電動(dòng)車儀表盤中的速度表相連，在無刷電機(jī)控制器內(nèi)它通過一限流電阻與電機(jī)的某一根相線相連。電機(jī)速度變化，反應(yīng)在電機(jī)相線中電流變化，則在速度線中電流也變化，反應(yīng)在儀表盤中就是速度的變化。
轉(zhuǎn)把線轉(zhuǎn)把線連接到電動(dòng)車轉(zhuǎn)把內(nèi)的霍爾上，轉(zhuǎn)把線有3根線，分別為電源正、電源負(fù)和信號線，一般紅線為電源正，黑線為電源負(fù)，信號線為藍(lán)色。當(dāng)轉(zhuǎn)把轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)把內(nèi)磁鐵相對霍爾運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生由低到高的感應(yīng)電壓信號，該信號送入單片機(jī)，執(zhí)行調(diào)速指令
電機(jī)霍爾線電機(jī)霍爾線與電機(jī)內(nèi)霍爾相連，以決定電機(jī)換相時(shí)刻。霍爾線有5根線：紅為正，黑為負(fù)，其余3根線為3 個(gè)霍爾信號，這3根線與電機(jī)相連，必須次序正確，否則電機(jī)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，有時(shí)需反復(fù)調(diào)換這3根線與電機(jī)相連次序，直到電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常。買一個(gè)速度盤，進(jìn)行觀察電車的速度。