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什么是直流电机的正弦换相?

什么是直流电机的正弦换相?

【摘要】:
虽然,无刷直流电机(BLDC)的反电动势波形理论是上梯形的,事实上,电机上的电感会平滑发电动势为正弦的形状。这个也就是为什么无刷直流电机要么使用梯形或者正弦换相方法。尽管正弦换相,是两种方式中较为简单的那种,它在每一个换相步(60度)将产生巨大的扭矩波动。正弦换相消除了内在与梯形换相中的扭矩波动并且提供了更平滑的移动与更加精确的电机控制。

虽然,无刷直流电机(BLDC)的反电动势波形理论是上梯形的,事实上,电机上的电感会平滑发电动势为正弦的形状。这个也就是为什么无刷直流电机要么使用梯形或者正弦换相方法。尽管正弦换相,是两种方式中较为简单的那种,它在每一个换相步(60度)将产生巨大的扭矩波动。正弦换相消除了内在与梯形换相中的扭矩波动并且提供了更平滑的移动与更加精确的电机控制。

 

暗含在正弦换相后面的基础是为电机的每一个绕组提供随电机转动而正弦变化的电流。电流相移120度,来匹配定子绕组的方向。电流空间矢量有恒定的大小,并且始终与转子正交。(当转子与定子磁场是正交的时候,或者两者是90度,最大的转矩就产生了)。获得正弦换相的关键是有能力精确确定转子的位置。因为,霍尔设备只能够提供粗糙的转子位置测量,一个编码器通常只能用来提供转子位置信息。

 

基于转子位置,两个正弦波纹就创建了,120度相相互转移。将这些信号乘以扭矩命令产生的与所需转矩成比例的振幅。这些命令被传递给控制器,这个监控了电机绕组上的电流。根据基尔霍夫电流定律,三者的电流之和必须等于0.因为在第三个电机绕组撒花姑娘的电流是前两者的负数总和。并且,因此,不能够被直接控制。 

 

 

为了看这是如何进行工作的,让我们看看三相电机的扭矩等式:

 

T = Kt * [IA * Sin(θ) + IB * Sin(θ +120) + IC * Sin(θ +240)]


意思是:


T = 扭矩


Kt = 扭矩常数


IA, IB, IC = 相电流


θ = 电轴角度


因为相电流是正弦的:


IA = M * Sin(θ)


IB = M * Sin(θ+120)


IC = M * Sin(θ+240)


M= 关于角度θ的电机电流命令


替换,我们得到:

T = Kt * M * [(sin2(θ) + sin2(θ+120) + sin2(θ+240)]


通过求解三角函数,我们得到:


T = Kt * M * 1.5 * [sin2(θ) + cos2(θ)]


因为sin2(θ) + cos2(θ) = 1,等式简化为:


T = 1.5 * Kt * M


这个展示了扭矩是独立于轴角度的,因此消除了扭矩波动。


正弦换相的缺陷是在高速的状态下会变得没有效率。电机旋转的越快,正弦信号的频率也就越高,并且控制器追踪这些高频信号也就更加的困难。更高的电机速度将会引起发电动势而增加振幅与频率,这使得电机更难进行克服。

 

这两种情况对于电流控制环路都会造成影响,并且造成相位之后以及电流误差。结果是电流空间矢量从相对于转子理想的位置(正交)转移,并且在给定的电流下,扭矩更少的产生。
 

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