直流无刷电机控制原理.docx

二直流无刷电机工作原理及换向初始化直流无刷电机在结构上与三相永磁同步电动机相同，但控制原理却与直流有刷电动机相同 直流有刷电机通过有刷换向使每个磁极下电枢导体的电流方向保持不变，从而产生能使电机 连续旋转的转矩：直流无制电机是通过电子换向使转子每个磁极下定子绕组导体电流的方向 保持不变而产生能使电机连续旋转的转矩由于采用电子无刷换向代替直流有刷电机的有刷 换向，所以交流永磁同步伺服电机又称直流无刷伺服电机直流有刷电动机必须正确调整换向电刷的机械位置才能使电机工作正常同样，直流无刷电 机加电时必须建立正确的初始换向角，才能使直流无刷电机正常工作确定初始换向角的过 程称为无刷换向的初始化过程为了了解换向初始化过程，必须先了解直流无刷电机的控制 原理1.直流无刷电机的控制原理1.1直流有刷电机的工作原理直流有刷电机由定子（产生主磁场）、转子（电枢）和换向装置（换向片和电刷）组成直 流有刷电机通过有刷换向使主磁极下的电枢导体的电流方向保持不变，从而使产生转矩的方 向不变，使电动机的转子能连续旋转为了使直流有刷电动机在电枢绕组流过电流时能产生 最大转矩，必须正确调整有刷换向装置中电刷的位置下面进行较为详细的讨论。

1）有刷换向装置的作用有制换向装置由电制和换向片组成直流有刷电机的电枢绕组为环形绕组，主磁极下的 每个电枢导体连接到换向片上换向片为彼此绝缘，均匀分布在换向器圆周上的金属片 组成电刷与换向片滑动接触电枢电流通过电刷和连接电枢导体的换向片引入电枢绕 组电枢旋转时，电刷和换向片就象一个活动接头一样始终与主磁极下的导体连接，使 主磁极下电枢导体的电流方向不变，产生使电枢连续旋转的转矩2）产生最大转矩的条件产生最大转矩的条件是：一个磁极下的所有电枢导体的电流方向一致或者说，电枢导 体产生的合成磁场与主磁场垂直3）直流有刷电机的运行直流有刷电机的运行可用四个基本方程式来描述：① 转矩平衡方程式：电流Im流过电枢绕组，载流导体在磁场中受力（受力方向用左手 法则判断），产生能使电枢连续旋转的转矩T"转矩L.与电动机磁通①和电枢电流 I M成正比：Tm = kt*

调整步骤如下：① 使用ZER0=1指令，驱动器将产生一个由电动机的C相流向B相的电流使转子转动， 转子停止的位置就是转子的零位该电流不经电流环控制而由驱动器直接产生，电 流的大小可用变量IZERO设定（单位：% of Ml CONT;数据范围：1到100）② 使能驱动器检查PRD值：对两极电机而言转子只有一个零位，该值应在0±20counts之间；对 四极电机而言转子有两个零位，该值应在0±20或32768±20之间：对六极电机而 言转子有三个零位，该值应在0±20, 21845±20 counts或43690±20 counts之间； 对八极电机而言转子有四个零位，该值应在0±20 counts, 16384±20 counts, 32768 ±20 counts 或 49152±20 counts 之间可以从MotionLink的反儒屏幕上检查PRD值③ 如果检查PRD值不在上述值范国内，用DIS指令禁止驱动器打开电机的后端盖， 松开旋变定子的锁紧螺钉，转动旋变的定子，使PRD值在上述值范围之内，然后锁 紧旋变定子④ 旋变的零位调整使电机转子的零位，旋变的零位一致，使查表指针指向电子表格的 90°位置，从而保证了正确的电子换向。

2.4旋变反馈的分辨率和精度（1）分辨率：R/D转换的数字分辨率（RDRES）根据实际使用的最高转速（VLIM）自动进行转换:VLIM (rpm)RDRESCounts / Rev等效编码器输出>61001240964096 counts 正交1500 到 6100141638416384 counts 正交<1500166553665536 counts 正交所有的读数都延伸到16位速度反馈是由R/D转换器输出的位置微分得到的速度反馈的 分辨率为18位后2位是由R/D转换器的LSB模拟量输出估计产生2）精度精度的组成部分单位：南分R/D转换精度4旋变回转精度8旋变安装精度2Inter-LSB （在最小有意义位上的数字高频振动）5总计（最坏的情况）193.编码器（增量）反馈编码器是常用的一种用光电原理的角度/位移检测装置用于检测角度的编码器称为旋转编 妈器，检测位移的编码器称为直线.编码器或光栅尺3.1光电编码器的构造和工作原理（1）光栅和莫尔条纹在两块光学玻璃上均力刻有密集的平行明暗细线（称为光栅），二者重叠放翼，并使刻线间有一微小夹角在明亮的背景下，可见到明暗相间的条纹(称为葵尔条纹)，如下图所示:m W /e当两个光栅相对移动时，莫尔条纹也将上下移动。

若横向移动一个栅矩虬 则莫尔条纹也正 好上下移动一个间距m,相当于将栅矩放大了 1/e倍角越小，放大倍数越大2) 计量光栅的构造测量角度或位移的光栅称为计量光栅计量光栅由光敏元件，标尺光栅，指示光栅，透镜和 光源组成对于直线编码器，通常标尺光栅固定不动，而光源，指示光栅和光敏元件固定在 被测位移物体(读数头)上；对于旋转编码器，通常标尺光栅转动，而光源，指示光栅和光 敏元件固定在被测转角物体(读数头)上常把上述两块光栅作成标尺光栅和指示光栅指 示光栅比标尺光栅短得多莫尔条纹的移动信号(亮带)被光敏元件接收为判别运动方向 常用四极硅光电池接收四相信号：当光栅相对移动一个栅矩时，莫尔条级移过一个条纹宽度， 四极硅光电池中的各片顺序输出相位分别为0° , 90° , 180° , 270°的四个方波输出信号 (A, A 非；B, B 非)3) 编码器输出信号的格式编码器输出为TTL电平(5V电平)，A, B两相正交(相位相差90° )的方波信号和标志信 号(对于旋转编妈器每转只有一个标志信号；而对于直线,编码器，每25mm有一个标志信号， 又称栅格信号)：当A相信号引前于B相信号90°时，为正向运动；当B相信号引前A相信号90°时，为反 向运动。

通常编码器的差动输出为三个通道信号：A通道(A, A非)、B通道(B, B非)和Z通道(Z, Z非)信号通过对A, B通道信号的编码，可以得到4倍于A (B)通道信号的分辩率4) 编妈器反馈的分辨率编码器的分辨率：对于旋转编妈器通常用每转刻线数(line/r),或每转脉冲数(counts/ r)表示，(counts / r ) = 4* ( I ine / r);对于直线编码器通常用每亳米刻线数(line / mm), 或每毫米脉冲数(counts / mm)表示，(counts / mm) = 4* (line / mm)Koi I morgen公司的MT金线系列电机可选择编码器反馈装置，BE/ME系列电机装有编码器反 馈装置，其分辨率为2048 I ine / r或8192 counts / r5）驱动器对编码器信号的要求对编码器的要求驱动器需要的信号编码器类型：带或不带Index脉冲的A-正交-B编码器： 带或不带霍尔通道的A-正交-B编码器，霍尔 发送器可以是集成的或分立的信号类型：A-正交-B和1 ndex只能是差动线,驱动器输出信号类型：霍尔发送器集电极开路或线驱动器输出系统电压5 Vdc最大输入频率3 MHz最大电缆长度取决于系统：建议50 ft最大线数每个电动机的电周期10, 000, 000线驱动器提供的最大电流250 Ma保护A, B, Index,和Hall通道断线，Hall非法编码检测。

3.2编码器反馈的初始化过程由于增量编妈器只能反映在移动过程中的增量距离，而不能反映转子的绝对位置，因而驱动 器加电时不能建立正确的换向角（初始换向角）必须采取某些方法在初始化过程中记忆在 转子的某一特殊位置时的换向有SERVOSTAR CD产品有用于带增量数字编码器而设计的型号（CE）来自不同的制造商不 同构造的编码器使用不同的术语和惯例，使这个题目有些混乱编码器可以是象只有A和B 输出通道那样简单或象有6个输出通道（A,BZU,V,W）那样复杂的编妈器SERVOSTAR 用变量MENCTYPE支持它们中的某一些类型该变量是根据编码器的特点来设定的本文 来说明各种MENCTYPE的不同应用对编码器有一个基本的了解对这个讨论是有价值的编码器的基础编码器是用来为SERVOSTAR经被称为A通道和B通道的两个通道来提供电动机的增量位 置信息这些通道的输出是作为电机轴运动单位的脉冲这些脉冲在编码器中，用与电动机 轴直接连接的光盘周期性产生的该光电盘刻有或透射或咀断光通过光盘的条纹光发射器 和接收器在该盘的两侧转动该盘（和电动机轴）阻断从光源到接收器光的透射，建立脉冲 光盘上的咀断被称为线，与之对应的是编码器的每转线数（LPR）或每转脉冲数（PPR）o 两个通道提供相同的信息，但彼此间有90°的相位移（见图A-l）o两个通道之间有90°相 位差的编码器被称为“正交-编码器该编码器输出的频率相同，但脉冲频率取决于电动机 的转动速度而不取决于时间。

由于两个通道的相位相差90° ,实际上这些信号的每个电周期有4种状态可利用（见图 A-l）o编码器移动一条线.，SERVOSTAR能接收4个位置反馈脉冲编妈器每条线4个位置 反馈脉冲的实际译码被称为“正交译码”另外，编码器信号A和B相位相差90° ,使电 子电路的设计很容％判断出A引前B还是B引前A,因而提供运动的方向信息编码器通常用一个被称为“Marker"的附加通道提供零脉冲，或具有相同功能不同名称的 “Index”通道这个通道每转只输出一个脉冲，它是一个周期非常窄的脉冲，约等于A或 B通道脉冲宽度的1/4,但可以更宽它是用于回原点（绝对位置参考）和调准换向角的一 个参考位置标记11re A - !: basic Enctxier Sisals （Differvniial）使用编码器的一个问题是它们是增量位置而不是绝对位置装置当使用绝对装置时（例如旋 变）不用转动就能决定电动机轴的位置，传送的代码是精确的换言之，在加电时，系统知 道电动机轴的位置增量编码器只能检测电动机轴从目标位置移动了多远这就对三相无刷电机在校准换向角问 题上提出的一个问题通常，为了在控制器中建立合适的换向角它是非常重要的。

换向涉 及为了产生最佳转矩而必须调准电枢绕组的电磁场与永磁体磁场的位置为了这个原因，编码器或电动机通常提供曾经称为“换向跟踪（commutation tracks）”的附 加通道，它提供1/6个绝对位置信息（见图A-2）Hall通道可以合成在编码器中或是集成 在电动机绕组中的分立装置换向跟踪（Hall通道）提供3个数字通道，它们与电动机的A 相，B相和C相的反电势调准带Hall通道的编码器，作为Hall信号参考电动机反电势波形 必须有与电动机极数及电动机反电势波形一致的输出注意：有些系统只使用电动机反馈数据的Hall通道该通道以通-断（梯形）的格式为电动机的换向提供足够的信息，但是对使用正弦波控制换向的电动机不能提供足够的信 息再者说，为了控制低于几百RPM的速度，粗略的数据是不。