中文名 | 有刷直流電機(jī) | 外文名 | BDC Motor |
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尺寸范圍 | 8mm-35mm | 轉(zhuǎn)????速 | 12000rpm |
扭矩范圍 | 0.64mNm-115mNm | 有無鐵芯 | 無 |
①有刷盤式繞組電機(jī)。有刷盤式繞組電機(jī)以稀土材料粘結(jié)在一缸體上,漆包銅線繞成的盤式繞組置于缸體之內(nèi),構(gòu)成轉(zhuǎn)子。電機(jī)相位靠機(jī)械式換相器調(diào)整。機(jī)械式換相器是靠固定的炭制電刷與轉(zhuǎn)動的銅制換相面摩擦來調(diào)整電壓相位的。這種電機(jī)在使用中電刷一直在磨損,電機(jī)的壽命很難超過2000h。同時,由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速較高,必須采取兩級齒輪減速,這就帶來了兩個問題,一是噪聲較大,二是效率損失大,經(jīng)減速后的電機(jī)額定效率往往只能達(dá)到68%~72%。而電動自行車所用的蓄電池的容量是有限的,一般就是36V/12Ah的容量,如電機(jī)效率不高,將使電耗增加,影響續(xù)行里程。
②有刷印制繞組電機(jī)。有刷印制繞組電機(jī)以印制銅箔板作為繞組,電機(jī)重量減輕了。由于這種電機(jī)全部是在自動生產(chǎn)線上生產(chǎn)的,工藝有可靠保證,從而使電機(jī)的壽命提高到3000h,噪聲大幅度下降,效率提高到72%~76%。但這種電機(jī)有“嗡嗡”的高頻噪聲,靠齒輪減速后效率仍不理想,有刷換相器的使用使電機(jī)壽命無法再提高。
③有刷壓制繞組電機(jī)。這種電機(jī)通過將繞制好的銅線壓制成一種新型繞組,其效率可提高到74%~78%。這種電機(jī)仍然被較多電動自行車廠家采用,但其存在的效率、噪聲、壽命缺陷仍然是必須改進(jìn)的問題。
輪轂式有齒輪傳動的有刷直流電機(jī),由盤形電樞有刷電機(jī)和齒輪減速兼?zhèn)鲃酉到y(tǒng)兩部分構(gòu)成。盤形電樞是高速轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子。輪毅式有齒輪傳動的有刷直流電機(jī)的構(gòu)造如圖2-2所示。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩通過軸傳遞給第一級齒輪,經(jīng)齒輪減速帶動輪轂外殼轉(zhuǎn)動 。
有刷有齒輪轂電機(jī)的盤形電樞是薄片形,體積很小,重量特輕,安裝方便。繞組編制好之后,用樹脂加玻璃纖維放進(jìn)模內(nèi)熱壓成型,在運行中由于電刷和換向器摩擦,又有齒輪嚙合減速,所以有刷電機(jī)的運行聲音比無刷電機(jī)聲音要大。
為了適應(yīng)輪轂結(jié)構(gòu),將有刷電機(jī)設(shè)計成電樞放在外邊作為轉(zhuǎn)子,磁鋼放在電機(jī)之內(nèi)作為定子,多塊磁鋼配多個繞組,設(shè)計轉(zhuǎn)速為180r/min左右的低速電機(jī)。圖2-3(a)所示為電機(jī)外轉(zhuǎn)子中尚未經(jīng)過壓力整形的電樞繞組,,在繞組以內(nèi)是呈平面環(huán)狀整齊排列的換向片。圖2-3(b)所示的是放在外轉(zhuǎn)子內(nèi)的間隔排列著10塊磁鋼的定子,在中間的轂板上開有兩個孔,電刷的刷握就設(shè)在孔的背側(cè),電刷帶著導(dǎo)線被彈簧從刷握中彈出。
有刷電機(jī)的定子軸端套有一個螺母,其作用是防止在加工中損傷軸上的螺紋。把電刷整理好裝入刷握中,然后將這一端送進(jìn)圖2-3(a)所示的孔中,電刷就可以接觸換向器平面,借助彈簧的彈力對換向器壓緊,而磁鋼正好進(jìn)入外轉(zhuǎn)子繞組中,只留一個很小的環(huán)形氣隙。這個環(huán)形氣隙的直徑越大,電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也越大。
由于有刷電機(jī)在設(shè)計中的改進(jìn),無須齒輪減速,可實現(xiàn)低噪聲、低成本。很多低價位的電動自行車廣泛采用了這種電機(jī)。但這種電機(jī)扭矩小,載重負(fù)荷小,爬坡能力不佳,使用時耗電較多,仍然采用機(jī)械式的電刷換相器,電機(jī)壽命問題尚未得到解決,因此中高檔電動自行車均未采用這種電機(jī)。
有刷直流電機(jī)的工作原理
有刷直流電機(jī)的工作原理圖如圖2-1所示。在有刷直流電機(jī)的固定部分有磁鐵,這里稱作主磁極;固定部分還有電刷。轉(zhuǎn)動部分有環(huán)形鐵芯和繞在環(huán)形鐵芯上的繞組。
圖2-1所示的兩極有刷直流電機(jī)的固定部分(定子)上裝設(shè)了一對直流勵磁的靜止的主磁極N和S,在旋轉(zhuǎn)部分(轉(zhuǎn)子)上裝設(shè)電樞鐵芯。定子與轉(zhuǎn)子之間有一氣隙。在電樞鐵芯上放置了由A和X兩根導(dǎo)體連成的電樞線圈,線圈的首端和末端分別連到兩個圓弧形的銅片上,此銅片稱為換向片。換向片之間互相絕緣,由換向片構(gòu)成的整體稱為換向器。換向器固定在轉(zhuǎn)軸上,換向片與轉(zhuǎn)軸之間亦互相絕緣。在換向片上放置著一對固定不動的電刷B1和B2,當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時,電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通。
有刷直流電機(jī)的種類
①有刷盤式繞組電機(jī)。有刷盤式繞組電機(jī)以稀土材料粘結(jié)在一缸體上,漆包銅線繞成的盤式繞組置于缸體之內(nèi),構(gòu)成轉(zhuǎn)子。電機(jī)相位靠機(jī)械式換相器調(diào)整。機(jī)械式換相器是靠固定的炭制電刷與轉(zhuǎn)動的銅制換相面摩擦來調(diào)整電壓相位的。這種電機(jī)在使用中電刷一直在磨損,電機(jī)的壽命很難超過2000h。同時,由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速較高,必須采取兩級齒輪減速,這就帶來了兩個問題,一是噪聲較大,二是效率損失大,經(jīng)減速后的電機(jī)額定效率往往只能達(dá)到68%~72%。而電動自行車所用的蓄電池的容量是有限的,一般就是36V/12Ah的容量,如電機(jī)效率不高,將使電耗增加,影響續(xù)行里程。
②有刷印制繞組電機(jī)。有刷印制繞組電機(jī)以印制銅箔板作為繞組,電機(jī)重量減輕了。由于這種電機(jī)全部是在自動生產(chǎn)線上生產(chǎn)的,工藝有可靠保證,從而使電機(jī)的壽命提高到3000h,噪聲大幅度下降,效率提高到72%~76%。但這種電機(jī)有"嗡嗡"的高頻噪聲,靠齒輪減速后效率仍不理想,有刷換相器的使用使電機(jī)壽命無法再提高。
③有刷壓制繞組電機(jī)。這種電機(jī)通過將繞制好的銅線壓制成一種新型繞組,其效率可提高到74%~78%。這種電機(jī)目前仍然被較多電動自行車廠家采用,但其存在的效率、噪聲、壽命缺陷仍然是必須改進(jìn)的問題。
輪轂式有齒輪傳動的有刷直流電機(jī),由盤形電樞有刷電機(jī)和齒輪減速兼?zhèn)鲃酉到y(tǒng)兩部分構(gòu)成。盤形電樞是高速轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子。輪毅式有齒輪傳動的有刷直流電機(jī)的構(gòu)造如圖2-2所示。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩通過軸傳遞給第一級齒輪,經(jīng)齒輪減速帶動輪轂外殼轉(zhuǎn)動。
有刷有齒輪轂電機(jī)的盤形電樞是薄片形,體積很小,重量特輕,安裝方便。繞組編制好之后,用樹脂加玻璃纖維放進(jìn)模內(nèi)熱壓成型,在運行中由于電刷和換向器摩擦,又有齒輪嚙合減速,所以有刷電機(jī)的運行聲音比無刷電機(jī)聲音要大。
為了適應(yīng)輪轂結(jié)構(gòu),將有刷電機(jī)設(shè)計成電樞放在外邊作為轉(zhuǎn)子,磁鋼放在電機(jī)之內(nèi)作為定子,多塊磁鋼配多個繞組,設(shè)計轉(zhuǎn)速為180r/min左右的低速電機(jī)。圖2-3(a)所示為電機(jī)外轉(zhuǎn)子中尚未經(jīng)過壓力整形的電樞繞組,,在繞組以內(nèi)是呈平面環(huán)狀整齊排列的換向片。圖2-3(b)所示的是放在外轉(zhuǎn)子內(nèi)的間隔排列著10塊磁鋼的定子,在中間的轂板上開有兩個孔,電刷的刷握就設(shè)在孔的背側(cè),電刷帶著導(dǎo)線被彈簧從刷握中彈出。
有刷電機(jī)的定子軸端套有一個螺母,其作用是防止在加工中損傷軸上的螺紋。把電刷整理好裝入刷握中,然后將這一端送進(jìn)圖2-3(a)所示的孔中,電刷就可以接觸換向器平面,借助彈簧的彈力對換向器壓緊,而磁鋼正好進(jìn)入外轉(zhuǎn)子繞組中,只留一個很小的環(huán)形氣隙。這個環(huán)形氣隙的直徑越大,電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也越大。
由于有刷電機(jī)在設(shè)計中的改進(jìn),無須齒輪減速,可實現(xiàn)低噪聲、低成本。目前很多低價位的電動自行車廣泛采用了這種電機(jī)。但這種電機(jī)扭矩小,載重負(fù)荷小,爬坡能力不佳,使用時耗電較多,仍然采用機(jī)械式的電刷換相器,電機(jī)壽命問題尚未得到解決,因此中高檔電動自行車均未采用這種電機(jī)。
有刷直流電機(jī)和無刷直流電機(jī)原理上有什么區(qū)別?
有刷直流電機(jī)和無刷直流電機(jī)原理上是基本相同的,但無刷直流電機(jī)是通過電路來換向的。 直流電機(jī)的工作原理:直流電機(jī)里邊固定有環(huán)狀永磁體,電流通過轉(zhuǎn)子上的線圈產(chǎn)生安培力,當(dāng)轉(zhuǎn)子上的線圈與磁場平行時,再繼續(xù)轉(zhuǎn)...
方案1:直流電機(jī)是否一直單向運轉(zhuǎn),也就是說電機(jī)正負(fù)極是否一直不變,如果是這樣比較好辦,直接在電機(jī)正負(fù)極反接入二極管即可,盡量使用壓降低且電流大的二極管。方案2:如電機(jī)需要正反轉(zhuǎn),建議控制部分使用繼電器...
有刷直流電機(jī)驅(qū)動和無刷直流電機(jī)驅(qū)動是否一樣? 單片機(jī)控制,怎么驅(qū)動大功率直流電機(jī)?
1.區(qū)別有刷無刷非常不一樣。有刷的簡單很多,給一個直流電壓就可以轉(zhuǎn)了。無刷的話需要功率電力電子設(shè)備來開通、關(guān)斷電壓,并且需要根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置判斷開關(guān)的節(jié)奏,控制上要求比較復(fù)雜。說白了,無刷直流本質(zhì)上是一...
有刷直流電機(jī)的使用和控制都非常簡便,因此它的設(shè)計周期較短。PIC單片機(jī),特別是具有CCP或ECCP模塊的單片機(jī)是驅(qū)動BDC電機(jī)的理想之選 。
與同步電機(jī)不同,由于直流電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子、即主磁極和電樞流經(jīng)的都是直流電流,因此主磁極勵磁繞組既可與電樞繞組并聯(lián)、也可與電樞繞組串聯(lián)、也可單獨由其它直流電源供電。根據(jù)主磁極勵磁電流的獲得方式不同,稱之為不同的勵磁方式。
有刷直流電機(jī)的工作原理圖如圖2-1所示。在有刷直流電機(jī)的固定部分有磁鐵,這里稱作主磁極;固定部分還有電刷。轉(zhuǎn)動部分有環(huán)形鐵芯和繞在環(huán)形鐵芯上的繞組。
圖2-1所示的兩極有刷直流電機(jī)的固定部分(定子)上裝設(shè)了一對直流勵磁的靜止的主磁極N和S,在旋轉(zhuǎn)部分(轉(zhuǎn)子)上裝設(shè)電樞鐵芯。定子與轉(zhuǎn)子之間有一氣隙。在電樞鐵芯上放置了由A和X兩根導(dǎo)體連成的電樞線圈,線圈的首端和末端分別連到兩個圓弧形的銅片上,此銅片稱為換向片。換向片之間互相絕緣,由換向片構(gòu)成的整體稱為換向器。換向器固定在轉(zhuǎn)軸上,換向片與轉(zhuǎn)軸之間亦互相絕緣。在換向片上放置著一對固定不動的電刷B1和B2,當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時,電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通 。
圖1給出了一個簡單BDC電機(jī)的結(jié)構(gòu)。所有BDC 電機(jī)的基本組件都是一樣的:定子、電刷和換向器。后面將更詳細(xì)地介紹每個組件.
定子會在轉(zhuǎn)子周圍產(chǎn)生固定的磁場。這一磁場可由永磁體或電磁繞組產(chǎn)生。BDC電機(jī)的類型由定子的結(jié)構(gòu)或電磁繞組連接到電源的方式劃分 (欲知BDC電機(jī)的不同類型請參見步進(jìn)電機(jī)的類型)。
轉(zhuǎn)子(也稱為電樞)由一個或多個繞組構(gòu)成。當(dāng)這些繞組受到激勵時,會產(chǎn)生一個磁場。轉(zhuǎn)子磁場的磁極將與定子磁場的相反磁極相吸引,從而使定子旋轉(zhuǎn)。在電機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中,會按不同的順序持續(xù)激勵繞組,因此轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁極絕不會與定子產(chǎn)生的磁極重疊。轉(zhuǎn)子繞組中磁場的這種轉(zhuǎn)換被稱為換向 。
與其他電機(jī)類型 (即,無刷直流電機(jī)和交流感應(yīng)電機(jī))不同,BDC電機(jī)不需要控制器來切換電極繞組中電流的方向,而是通過機(jī)械的方式完成BDC電機(jī)繞組的換向。在BDC電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安裝有一個分片式銅套,稱為換向器。隨著電機(jī)的旋轉(zhuǎn),碳刷會沿著換向器滑動,與換向器的不同分片接觸。這些分片與不同的轉(zhuǎn)子繞組連接,因此,當(dāng)通過電機(jī)的電刷上電時,就會在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生動態(tài)的磁場。注意電刷和換向器由于兩者之間存在相對滑動,因而是BDC電機(jī)中最容易損耗的部分,這一點很重要。
永磁體有刷直流 (Permanent Magnet Brushed DC ,PMDC)電機(jī)是世界上最常見的BDC電機(jī)。這類電機(jī)使用永磁體產(chǎn)生定子磁場。PMDC電機(jī)通常用在包括分馬力電動機(jī)在內(nèi)的應(yīng)用中,這是因為永磁體比繞組定子具有更高的成本效益。PMDC電機(jī)的缺點是永磁體的磁性會隨著時間的推移逐漸衰退。 某些PMDC電機(jī)的永磁體上還繞有繞組,以防止磁性丟失的情況發(fā)生。PMDC電機(jī)的性能曲線 (電壓與速度關(guān)系曲線)的線性非常好。電流與轉(zhuǎn)矩成線性關(guān)系。由于定子磁場是恒定的,所以這類電機(jī)對電壓變化的響應(yīng)非常快。
并激有刷直流(Shunt-wound Brushed DC,SHWDC)電機(jī)的勵磁線圈與電樞并聯(lián) 。勵磁線圈中的電流與電樞中的電流相互獨立。因此,這類電機(jī)具有卓越的速度控制能力。SHWDC電機(jī)通常用在需要五個或五個以上馬力的應(yīng)用中。在SHWDC電機(jī)中,不會出現(xiàn)磁性丟失的問題,因此它們通常比PMDC電機(jī)更加可靠。
串激有刷直流 (Series-wound Brushed DC,SWDC)電機(jī)的勵磁線圈與電樞串聯(lián)。由于定子和電樞中的電流均隨負(fù)載的增加而增加,因此這類電機(jī)是大轉(zhuǎn)矩應(yīng)用的理想之選。SWDC電機(jī)的缺點是它不能像PMDC和SHWDC電機(jī)那樣對速度進(jìn)行精確控制。
復(fù)激 (Compound Wound,CWDC)電機(jī)是并激和串激電機(jī)的結(jié)合體。CWDC電機(jī)可產(chǎn)生串激和并激兩種磁場。CWDC電機(jī)綜合了SWDC和SHWDC電機(jī)的性能,它具有比SHWDC電機(jī)更大的轉(zhuǎn)矩,又能提供比SWDC電機(jī)更佳的速度控制 。
驅(qū)動電路用在使用了某類控制器并且要求速度控制的應(yīng)用中。驅(qū)動電路的目的是為控制器提供改變BDC電機(jī)中繞組電流的方法。驅(qū)動電路允許控制器對BDC電機(jī)的供電電壓進(jìn)行脈寬調(diào)制。就功耗來說,這樣的速度控制方法在改變BDC電機(jī)的速度方面比起傳統(tǒng)的模擬控制方法效率要高很多。傳統(tǒng)的模擬控制要求與電機(jī)繞組串聯(lián)一個額外的變阻器,這樣會降低效率。驅(qū)動BDC電機(jī)的方法多種多樣。 有些應(yīng)用場合僅要求電機(jī)往一個方向運轉(zhuǎn)。前者采用低端驅(qū)動,后者采用高端驅(qū)動。 使用低端驅(qū)動的優(yōu)點是可以不必使用FET驅(qū)動器。FET驅(qū)動器的用途是:
1. 將驅(qū)動MOSFET的TTL信號轉(zhuǎn)換為供電電壓的電平。
2. 提供足以驅(qū)動MOSFET的電流(1)
3. 提供半橋應(yīng)用中的電平轉(zhuǎn)換。
對于絕大多數(shù)PIC?單片機(jī)應(yīng)用,第二點通常不適用,這是因為PIC單片機(jī)的I/O引腳可提供20 mA的拉電流。
注意,在每個電路中,電機(jī)的兩端都跨接有一個二極管,目的是防止反電磁通量(Back ElectromagneticFlux,BEMF)電壓損壞MOSFET。BEMF是在電機(jī)轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生的。 當(dāng)MOSFET關(guān)斷時,電機(jī)的繞組仍然處于通電狀態(tài),會產(chǎn)生反向電流。D1必須具有合適的額定值,以能夠消耗這一電流。
BDC電機(jī)的雙向控制需要一個稱為H橋的電路。H橋的得名緣于其原理圖的外觀,它能夠使電機(jī)繞組中的電流沿兩個方向運動。要理解這一點,H橋必須被分為兩個部分,或兩個半橋。 Q1和Q2構(gòu)成一個半橋,而Q3和Q4構(gòu)成另一個半橋。每個半橋都能夠控制BDC電機(jī)一端的導(dǎo)通與關(guān)斷,使其電勢為供應(yīng)電壓或地電位。例如,當(dāng)Q1導(dǎo)通,Q2關(guān)斷時,電機(jī)的左端將處于供電電壓的電勢。導(dǎo)通Q4,保持Q3關(guān)斷將使電機(jī)的相反端接地。標(biāo)注有箭頭的IFWD顯示了該配置下電流的流向。
注意,每個MOSFET的兩端都跨接有一個二極管(D1-D4)。這些二極管保護(hù)MOSFET免遭MOSFET關(guān)斷時由BEMF產(chǎn)生的電流尖峰的破壞。只有在MOSFET內(nèi)部的二極管不足以消耗BEMF電流時,才需要這些二極管。電容 (C1-C4)是可選的。 這些電容的值通常不大于10pF,它們用于減少由于換向器起拱產(chǎn)生的RF輻射。
在前向和后向模式中,橋的一端處于地電勢,另一端處于VSUPPLY。IFWD和IRVS箭頭分別描繪了前向和后向運行模式的電路路徑。在慣性滑行 (Coast)模式中,電機(jī)繞組的接線端保持懸空,電機(jī)靠慣性滑行直至停轉(zhuǎn)。 剎車(Brake)模式用于快速停止BDC電機(jī)。 在剎車模式下,電機(jī)的接線端接地。當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時,它充當(dāng)一個發(fā)電機(jī)。將電機(jī)的引線短路相當(dāng)于電機(jī)帶有無窮大負(fù)載,可使電機(jī)快速停轉(zhuǎn)。IBRK箭頭描繪了這一點,設(shè)計H橋電路時,必須要考慮到一個非常重要的事項。當(dāng)電路的輸入不可預(yù)測 (比如單片機(jī)啟動過程中)時,必須將所有的MOSFET偏置到關(guān)斷狀態(tài)。 這將確保H橋每個半橋上的MOSFET絕不會同時導(dǎo)通。 同時導(dǎo)通同一個半橋上的MOSFET將導(dǎo)致電源短路,最終導(dǎo)致?lián)p壞MOSFET,致使電路無法工作。每個MOSFET驅(qū)動器輸入端上的下拉電阻將實現(xiàn)該功能 。
BDC電機(jī)的速度與施加給電機(jī)的電壓成正比。當(dāng)使用數(shù)控技術(shù)時,脈寬調(diào)制 (PWM)信號被用來產(chǎn)生平均電壓。電機(jī)的繞組充當(dāng)一個低通濾波器,因此具有足夠頻率的PWM信號將會在電機(jī)繞組中產(chǎn)生一個穩(wěn)定的電流。平均電壓、供電電壓和占空比的關(guān)系由以下公式給出:
公式1:VAVERAGE= D ×VSUPPLY
速度和占空比之間成正比關(guān)系。例如,如果額定BDC電機(jī)在12V時以轉(zhuǎn)速15000 RPM旋轉(zhuǎn),則當(dāng)給電機(jī)施加占空比為50%的信號時,則電機(jī)將 (理想情況下)以7500 RPM的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。PWM信號的頻率是考慮的重點。頻率太低會導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速過低,噪音較大,并且對占空比變化的響應(yīng)過慢。
頻率太高,則會因開關(guān)設(shè)備的開關(guān)損耗而降低系統(tǒng)的效率。經(jīng)驗之談是在4 kHz至20 kHz范圍內(nèi),調(diào)制輸入信號的頻率。這個范圍足夠高,電機(jī)的噪音能夠得到衰減,并且此時MOSFET(或BJT)中的開關(guān)損耗也可以忽略。一般來說,針對給定的電機(jī)用實驗的辦法找到滿意的PWM頻率是一個好辦法。如何使用PIC單片機(jī)來產(chǎn)生控制BDC電機(jī)速度的PWM信號?一個方法是通過編寫專門的匯編或C代碼來交替翻轉(zhuǎn)輸出引腳的電平(1)。另一個方法是選擇帶有硬件PWM模塊的PIC單片機(jī)。Microchip提供的具有該功能的模塊為CCP和ECCP模塊。許多PIC單片機(jī)都具有CCP和ECCP模塊。請參見產(chǎn)品選型指南了解具有這些功能模塊的器件。
注 1:Microchip的應(yīng)用筆記AN847給出了使用固件對I/O 引腳進(jìn)行脈寬調(diào)制的匯編代碼例程。
CCP模塊 (捕捉比較和PWM(Capture Compare和PWM)的英文縮寫)能夠在一個I/O引腳上輸出分辨率為10位的PWM信號。10位分辨率意味著模塊可以在0%至100%的范圍內(nèi)實現(xiàn)210(即1024)個可能的占空比值。使用該模塊的優(yōu)點是它能在I/O 引腳上自主產(chǎn)生PWM信號,這樣解放了處理器,使之有時間完成其他任務(wù)。CCP模塊僅要求開發(fā)者對模塊的參數(shù)進(jìn)行配置。 配置模塊包括設(shè)置頻率和占空比寄存器。ECCP模塊 (增強型捕捉比較和PWM(EnhancedCapture Compare和PWM)的英文縮寫)不僅能提供CCP模塊的所有功能,還可以驅(qū)動全橋或半橋電路。ECCP模塊還具有自動關(guān)斷功能和可編程死區(qū)延時。
注: Microchip的應(yīng)用筆記AN893給出了配置ECCP模塊來驅(qū)動BDC電機(jī)的詳細(xì)說明。該應(yīng)用筆記中還包含有固件和驅(qū)動電路示例。
雖然BDC電機(jī)的速度一般與占空比成正比,但不存在完全理想的電機(jī)。發(fā)熱、換向器磨損以及負(fù)載均會影響電機(jī)的速度。 在需要精確控制速度的系統(tǒng)中引入某種反饋機(jī)智是個好注意。速度控制可以兩種方式實現(xiàn)。第一種方式是使用某種類型的速度傳感器。第二種方式是使用電機(jī)產(chǎn)生的BEMF電壓 。
有多種傳感器可用于速度反饋。最常見的是光學(xué)編碼器和霍爾效應(yīng)傳感器。 光學(xué)編碼器由多個組件組成。在電機(jī)非驅(qū)動端的軸上安裝一個槽輪。一個紅外LED在輪的一側(cè)提供光源,一個光電晶體管在輪的另一側(cè)對光線進(jìn)行檢測。 通過輪中槽隙的光線會使光電晶體管導(dǎo)通。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時,光電晶體管會隨著光線通過輪槽與否導(dǎo)通和關(guān)斷。晶體管通斷的頻率表征電機(jī)的速度。在電機(jī)發(fā)生移位的應(yīng)用中,還將使用光學(xué)編碼器來反饋電機(jī)位置。
霍爾效應(yīng)傳感器也被用來提供速度反饋。與光學(xué)編碼器類似,霍爾效應(yīng)傳感器需要電機(jī)上連有一個旋轉(zhuǎn)元件,并且還需要一個靜止元件。旋轉(zhuǎn)元件是一個外緣安裝有一個或多個磁體的轉(zhuǎn)輪。靜止的傳感器檢測經(jīng)過的磁體,并產(chǎn)生TTL脈沖。
提供BDC電機(jī)的快速反饋的另一種形式是BEMF電壓測量。BEMF電壓和速度成正比。 圖11顯示了在雙向驅(qū)動電路中測量BEMF電壓的位置。一個分壓器用于使BEMF電壓下降到0-5V范圍內(nèi),這樣才能被模數(shù)轉(zhuǎn)換器讀取。BEMF電壓是在PWM脈沖之間,當(dāng)電機(jī)的一端懸空而另一端接地時測量的。在這種情況下,電機(jī)充當(dāng)發(fā)電機(jī),并且產(chǎn)生與速度成正比的BEMF電壓。
由于效率和材料不同,所有BDC電機(jī)的行為會略有不同。實驗是確定給定電機(jī)速度下BEMF電壓的最好方法。 電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的反射帶有助于數(shù)字轉(zhuǎn)速計測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速(單位為RPM)。在讀取數(shù)字轉(zhuǎn)速計時測量BEMF電壓將獲取電機(jī)速度和BEMF電壓的關(guān)系。
注: Microchip的應(yīng)用筆記AN893提供了使用PIC16F684讀取BEMF電壓的固件和電路示例。
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頁數(shù): 41頁
評分: 4.8
第 1 頁 共 41 頁 1 緒論 1.1 研究背景 一個多世紀(jì)以來,電機(jī)作為電能量轉(zhuǎn)換裝置,其應(yīng)用范圍已遍及國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng) 域以及人們的日常生活中。電機(jī)的主要類型有同步電機(jī)、異步電機(jī)與直流電機(jī)三種。直 流電機(jī)具有運行效率高和調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點,因此被廣泛應(yīng)用于各種調(diào)速系統(tǒng)中, 但傳統(tǒng)的有刷直流電機(jī)均以機(jī)械換相方法進(jìn)行換相,存在相對的機(jī)械摩擦,因此帶來噪 聲、火花、無線電干擾及壽命等致命弱點,從而大大地限制了它的應(yīng)用范圍。而相比有 刷直流電機(jī),無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)是以電力電子電路取代傳統(tǒng)有刷直流電機(jī)的電刷,故 其既具有有刷直流電機(jī)運行效率高、 運行性能好等優(yōu)點, 又具有交流電機(jī)運行結(jié)構(gòu)簡單、 運行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點。目前,隨著半導(dǎo)體技術(shù)的快速進(jìn)步與永磁材料的新發(fā)現(xiàn), 高性能、低成本的永磁無刷直流電機(jī)已成為調(diào)速領(lǐng)域的領(lǐng)軍力量,它具有巨大的開發(fā)潛 質(zhì)和廣闊的應(yīng)用前景。 1.2 無刷直流
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頁數(shù): 41頁
評分: 4.3
第 1 頁 共 41 頁 1 緒論 1.1 研究背景 一個多世紀(jì)以來,電機(jī)作為電能量轉(zhuǎn)換裝置,其應(yīng)用范圍已遍及國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng) 域以及人們的日常生活中。電機(jī)的主要類型有同步電機(jī)、異步電機(jī)與直流電機(jī)三種。直 流電機(jī)具有運行效率高和調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點,因此被廣泛應(yīng)用于各種調(diào)速系統(tǒng)中, 但傳統(tǒng)的有刷直流電機(jī)均以機(jī)械換相方法進(jìn)行換相,存在相對的機(jī)械摩擦,因此帶來噪 聲、火花、無線電干擾及壽命等致命弱點,從而大大地限制了它的應(yīng)用范圍。而相比有 刷直流電機(jī),無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)是以電力電子電路取代傳統(tǒng)有刷直流電機(jī)的電刷,故 其既具有有刷直流電機(jī)運行效率高、 運行性能好等優(yōu)點, 又具有交流電機(jī)運行結(jié)構(gòu)簡單、 運行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點。目前,隨著半導(dǎo)體技術(shù)的快速進(jìn)步與永磁材料的新發(fā)現(xiàn), 高性能、低成本的永磁無刷直流電機(jī)已成為調(diào)速領(lǐng)域的領(lǐng)軍力量,它具有巨大的開發(fā)潛 質(zhì)和廣闊的應(yīng)用前景。 1.2 無刷直流
永磁直流電機(jī)永磁有刷直流電機(jī)
有刷電機(jī)的定子上安裝有固定的主磁極和電刷,轉(zhuǎn)子上安裝有電樞繞組和換向器。直流電源的電能通過電刷和換向器進(jìn)入電樞繞組,產(chǎn)生電樞電流,電樞電流產(chǎn)生的磁場與主磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,使電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動負(fù)載。由于電刷和換向器的存在,有刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,可靠性差,故障多,維護(hù)工作量大,壽命短,換向火花易產(chǎn)生電磁干擾。
有刷直流電機(jī)的工作原理圖如圖2-1所示。在有刷直流電機(jī)的固定部分有磁鐵,這里稱作主磁極;固定部分還有電刷。轉(zhuǎn)動部分有環(huán)形鐵芯和繞在環(huán)形鐵芯上的繞組。
圖2-1所示的兩極有刷直流電機(jī)的固定部分(定子)上裝設(shè)了一對直流勵磁的靜止的主磁極N和S,在旋轉(zhuǎn)部分(轉(zhuǎn)子)上裝設(shè)電樞鐵芯。定子與轉(zhuǎn)子之間有一氣隙。在電樞鐵芯上放置了由A和X兩根導(dǎo)體連成的電樞線圈,線圈的首端和末端分別連到兩個圓弧形的銅片上,此銅片稱為換向片。換向片之間互相絕緣,由換向片構(gòu)成的整體稱為換向器。換向器固定在轉(zhuǎn)軸上,換向片與轉(zhuǎn)軸之間亦互相絕緣。在換向片上放置著一對固定不動的電刷B1和B2,當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時,電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通。
①有刷盤式繞組電機(jī)。有刷盤式繞組電機(jī)以稀土材料粘結(jié)在一缸體上,漆包銅線繞成的盤式繞組置于缸體之內(nèi),構(gòu)成轉(zhuǎn)子。電機(jī)相位靠機(jī)械式換相器調(diào)整。機(jī)械式換相器是靠固定的炭制電刷與轉(zhuǎn)動的銅制換相面摩擦來調(diào)整電壓相位的。這種電機(jī)在使用中電刷一直在磨損,電機(jī)的壽命很難超過2000h。同時,由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速較高,必須采取兩級齒輪減速,這就帶來了兩個問題,一是噪聲較大,二是效率損失大,經(jīng)減速后的電機(jī)額定效率往往只能達(dá)到68%~72%。而電動自行車所用的蓄電池的容量是有限的,一般就是36V/12Ah的容量,如電機(jī)效率不高,將使電耗增加,影響續(xù)行里程。
②有刷印制繞組電機(jī)。有刷印制繞組電機(jī)以印制銅箔板作為繞組,電機(jī)重量減輕了。由于這種電機(jī)全部是在自動生產(chǎn)線上生產(chǎn)的,工藝有可靠保證,從而使電機(jī)的壽命提高到3000h,噪聲大幅度下降,效率提高到72%~76%。但這種電機(jī)有"嗡嗡"的高頻噪聲,靠齒輪減速后效率仍不理想,有刷換相器的使用使電機(jī)壽命無法再提高。
③有刷壓制繞組電機(jī)。這種電機(jī)通過將繞制好的銅線壓制成一種新型繞組,其效率可提高到74%~78%。這種電機(jī)仍然被較多電動自行車廠家采用,但其存在的效率、噪聲、壽命缺陷仍然是必須改進(jìn)的問題。
輪轂式有齒輪傳動的有刷直流電機(jī),由盤形電樞有刷電機(jī)和齒輪減速兼?zhèn)鲃酉到y(tǒng)兩部分構(gòu)成。盤形電樞是高速轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子。輪毅式有齒輪傳動的有刷直流電機(jī)的構(gòu)造如圖2-2所示。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩通過軸傳遞給第一級齒輪,經(jīng)齒輪減速帶動輪轂外殼轉(zhuǎn)動。
有刷有齒輪轂電機(jī)的盤形電樞是薄片形,體積很小,重量特輕,安裝方便。繞組編制好之后,用樹脂加玻璃纖維放進(jìn)模內(nèi)熱壓成型,在運行中由于電刷和換向器摩擦,又有齒輪嚙合減速,所以有刷電機(jī)的運行聲音比無刷電機(jī)聲音要大。
為了適應(yīng)輪轂結(jié)構(gòu),將有刷電機(jī)設(shè)計成電樞放在外邊作為轉(zhuǎn)子,磁鋼放在電機(jī)之內(nèi)作為定子,多塊磁鋼配多個繞組,設(shè)計轉(zhuǎn)速為180r/min左右的低速電機(jī)。圖2-3(a)所示為電機(jī)外轉(zhuǎn)子中尚未經(jīng)過壓力整形的電樞繞組,,在繞組以內(nèi)是呈平面環(huán)狀整齊排列的換向片。圖2-3(b)所示的是放在外轉(zhuǎn)子內(nèi)的間隔排列著10塊磁鋼的定子,在中間的轂板上開有兩個孔,電刷的刷握就設(shè)在孔的背側(cè),電刷帶著導(dǎo)線被彈簧從刷握中彈出。
有刷電機(jī)的定子軸端套有一個螺母,其作用是防止在加工中損傷軸上的螺紋。把電刷整理好裝入刷握中,然后將這一端送進(jìn)圖2-3(a)所示的孔中,電刷就可以接觸換向器平面,借助彈簧的彈力對換向器壓緊,而磁鋼正好進(jìn)入外轉(zhuǎn)子繞組中,只留一個很小的環(huán)形氣隙。這個環(huán)形氣隙的直徑越大,電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也越大。
由于有刷電機(jī)在設(shè)計中的改進(jìn),無須齒輪減速,可實現(xiàn)低噪聲、低成本。很多低價位的電動自行車廣泛采用了這種電機(jī)。但這種電機(jī)扭矩小,載重負(fù)荷小,爬坡能力不佳,使用時耗電較多,仍然采用機(jī)械式的電刷換相器,電機(jī)壽命問題尚未得到解決,因此中高檔電動自行車均未采用這種電機(jī)。
直流有刷電機(jī)的基本構(gòu)造的組件包括定子、轉(zhuǎn)子、電刷和換向器。定子和轉(zhuǎn)子磁場相互作用驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)。有刷直流電機(jī)的類型根據(jù)電機(jī)定子或外殼中磁場的產(chǎn)生方式來劃分。根據(jù)有刷直流電機(jī)的類型,定子磁場可以由永磁鐵或定子中的繞組產(chǎn)生。對于后一種情況,定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組可以是并行、串行、或混合方式連接。這三種有刷直流電機(jī)分別稱為并激電動機(jī)、串激電動機(jī)和復(fù)激電動機(jī)。
直流有刷電機(jī)的組成分類
直流有刷電機(jī)的基本構(gòu)造的組件包括定子、轉(zhuǎn)子、電刷和換向器。定子和轉(zhuǎn)子磁場相互作用驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)。有刷直流電機(jī)的類型根據(jù)電機(jī)定子或外殼中磁場的產(chǎn)生方式來劃分。根據(jù)有刷直流電機(jī)的類型,定子磁場可以由永磁鐵或定子中的繞組產(chǎn)生。對于后一種情況,定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組可以是并行、串行、或混合方式連接。這三種有刷直流電機(jī)分別稱為并激電動機(jī)、串激電動機(jī)和復(fù)激電動機(jī)。