為什么可以通過感應(yīng)電壓知道轉(zhuǎn)子的位置?

本文探討的問題是“為什么可以通過感應(yīng)電壓知道轉(zhuǎn)子的位置?”具體而言，就是為什么通過觀察無刷電機(jī)繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，可以估測出轉(zhuǎn)子的位置?感應(yīng)電壓和轉(zhuǎn)子位置之間的關(guān)系是驅(qū)動無刷電機(jī)時涉及到的重要知識，下面將就此進(jìn)行說明。

●問題的內(nèi)容

本次的問題源于類似下面的經(jīng)歷。

這是我們在為無刷電機(jī)選擇電機(jī)驅(qū)動器時遇到的困惑：有些電機(jī)驅(qū)動器的規(guī)格書上寫有“無傳感器控制”，也就是說不需要用傳感器來確定轉(zhuǎn)子的位置。我們一直以為驅(qū)動無刷電機(jī)需要轉(zhuǎn)子位置傳感器，但這類電機(jī)驅(qū)動器檢測的是感應(yīng)電壓，而不是位置傳感器的信息。

感應(yīng)電壓是指手動旋轉(zhuǎn)無刷電機(jī)的曲軸時，繞組端子上產(chǎn)生的電壓。但為什么僅通過檢測(?)該感應(yīng)電壓就能知道轉(zhuǎn)子的位置呢?

實(shí)際上，有些無刷電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動器配備了無傳感器控制功能，無需使用霍爾元件等位置傳感器即可使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。這種無傳感器控制有多種方式，其中如本次問題所示，通過感應(yīng)電壓的波形，特別是檢測出過零點(diǎn)來估測轉(zhuǎn)子位置的方式被廣泛使用。

那么，感應(yīng)電壓與轉(zhuǎn)子位置之間有什么關(guān)系呢?這里我們將從感應(yīng)電壓的產(chǎn)生原理入手，解釋兩者之間的關(guān)系。

無刷電機(jī)的感應(yīng)電壓

首先，感應(yīng)電壓是由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象而在線圈(繞組)兩端產(chǎn)生的電勢差。這里的電磁感應(yīng)是指當(dāng)通過線圈中的磁通量發(fā)生變化時，會在線圈中產(chǎn)生排斥這種變化(保持原磁通量)的磁場方向上，產(chǎn)生電壓的現(xiàn)象。例如，如下圖(中)所示，當(dāng)磁體(N極)靠近線圈時，線圈內(nèi)向右的磁通量會增加。于是，線圈試圖產(chǎn)生一個向左的磁場來抑制這種增加。產(chǎn)生左向磁場的電流方向遵循右手定則(如圖所示)，并在線圈兩端產(chǎn)生與該方向?qū)?yīng)極性的電壓。相反，當(dāng)磁體遠(yuǎn)離線圈時，磁通量減少，所以會產(chǎn)生增加磁通量的電流和電壓(下圖中的右圖)。

該線圈兩端產(chǎn)生的電壓大小與磁通量變化的大小成正比。感應(yīng)電壓(Vbemf)可以用磁通量的微分來表示(如下式)。公式中線圈匝數(shù)n表示感應(yīng)電壓的大小與匝數(shù)成正比。如果N極為正極，且電壓的參照物為圖中線圈的左側(cè)端子，則公式中的磁通量Φ為負(fù)值。

如果將這種感應(yīng)電壓的產(chǎn)生現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為電機(jī)的工作，就會如下圖所示。下圖是由永磁體組成的轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)部旋轉(zhuǎn)時，穿過定子的磁通量變化示意圖。

圖中標(biāo)出了來自永磁體N極的磁通量進(jìn)入S極的路徑。在下圖中“1”的轉(zhuǎn)子位置處，線圈A的齒槽(見下圖中纏有導(dǎo)線的磁性體部分)與S極相對，磁通沿S極方向穿過。當(dāng)轉(zhuǎn)子從那里繼續(xù)左轉(zhuǎn)時(圖中的“2”)，齒槽A的前端部分開始與N極相對，與S極相對的面積減少，所以穿過線圈的磁通量減少。隨著轉(zhuǎn)子進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)，如圖中的“3”所示，穿過線圈的磁通量變?yōu)榱?盡管圖中未顯示，但隨著轉(zhuǎn)子進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)，從N極出來的磁通量會不斷增加)。

可見，對于電機(jī)來說，與其說是永磁體靠近或遠(yuǎn)離，不如說是與線圈(齒槽)相對的磁體的磁極和磁通密度隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而不斷變化，從而產(chǎn)生感應(yīng)電壓。

以上即為無刷電機(jī)感應(yīng)電壓產(chǎn)生原理的說明。

轉(zhuǎn)子位置和感應(yīng)電壓波形

根據(jù)上述感應(yīng)電壓的產(chǎn)生原理，我們來探討轉(zhuǎn)子位置與感應(yīng)電壓波形之間的關(guān)系。首先，讓我們解釋一下什么是轉(zhuǎn)子位置。

我們說要知道轉(zhuǎn)子的位置，表示位置需要一個參照物。例如地球上的經(jīng)度或緯度位置是以北極點(diǎn)或天文臺為參照物，或者距離100米是以說這句話的人或?qū)懹羞@句話的標(biāo)志為參照物。那么，轉(zhuǎn)子位置的參照物是什么呢?要理解這一點(diǎn)，我們需要知道為什么要知道轉(zhuǎn)子的位置。

在驅(qū)動無刷電機(jī)時，之所以要知道轉(zhuǎn)子的位置，簡單來說是為了利用該信息來決定在何處產(chǎn)生繞組磁場。無刷電機(jī)利用轉(zhuǎn)子的永磁體和繞組磁場之間的引力/斥力來旋轉(zhuǎn)，為了獲得這種力，必須知道應(yīng)該在永磁體的哪個位置產(chǎn)生繞組磁場。因此，轉(zhuǎn)子位置的參照物是繞組。具體來說，轉(zhuǎn)子位置表示的是轉(zhuǎn)子的永磁體與定子繞組之間的相對位置(角度)。

例如，如下圖所示，通過將轉(zhuǎn)子的位置理解為“N極相對于U相繞組呈〇〇度的位置”，可以決定在哪個位置產(chǎn)生繞組磁場使轉(zhuǎn)子朝所需方向轉(zhuǎn)動。

(這里的N極指的是N極部分的中心位置。轉(zhuǎn)子位置的表示方式有兩種：一種是以磁極的中心位置為參照物，另一種是以磁極切換點(diǎn)(磁極之間)為參照物。后一種情況下，表達(dá)為“從S極變?yōu)镹極的位置相對于U相繞組呈〇〇度”。另外，“相對于U相繞組”是指纏有U相繞組的齒槽的中心位置。)

既然我們已經(jīng)知道轉(zhuǎn)子位置的參照物是繞組，接下來就要考慮轉(zhuǎn)子位置和感應(yīng)電壓波形之間的關(guān)系。

首先在考慮感應(yīng)電壓波形之前要先確定磁通量(Φ)，因此我們假設(shè)轉(zhuǎn)子的勵磁波形(永磁體的磁通分布)是下圖所示的波形。這種波形通常被稱為正弦波勵磁波形，勵磁后的磁通密度呈正弦波分布。

下圖為當(dāng)轉(zhuǎn)子相對于繞組旋轉(zhuǎn)一周時，穿過繞組(齒槽)的磁通量變化情況，以及感應(yīng)電壓的變化情況(再次強(qiáng)調(diào)，轉(zhuǎn)子位置的參照物是繞組(這里是與定子的位置關(guān)系))。為了更直觀地看到穿過齒槽的磁通量，圖中還給出了轉(zhuǎn)子處于位置1到5時穿過齒槽的磁通量。

當(dāng)轉(zhuǎn)子處于位置“1”時，齒槽同時面向磁體的N極和S極，因此幾乎沒有磁通量穿過齒槽，齒槽的磁通量為零。當(dāng)轉(zhuǎn)子左轉(zhuǎn)到位置“2”時，面向齒槽的磁體N極面積逐漸增大。由于磁體的勵磁波形是正弦波，此時齒槽中的磁通量呈正弦波增長，并在位置“2”達(dá)到最大，到位置“3”時又變?yōu)榱恪＝又D(zhuǎn)子繼續(xù)左轉(zhuǎn)到位置“4”，磁通量(朝向S極)達(dá)到最大，到位置“5”時又變?yōu)榱?回到位置“1”)。

通過轉(zhuǎn)子的這種運(yùn)動，產(chǎn)生了如圖所示的感應(yīng)電壓(感應(yīng)電壓是齒槽中的磁通量變化量(微分)的負(fù)值)。

從以上說明可以看出，轉(zhuǎn)子的位置、齒槽中的磁通量、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時磁通量的變化以及由此產(chǎn)生的感應(yīng)電壓之間的關(guān)系是固定不變的。這就是為什么可以通過感應(yīng)電壓知道轉(zhuǎn)子位置(相對于繞組的位置)的原因。

基于這種關(guān)系，例如，如果檢測到感應(yīng)電壓在由負(fù)變正的過零點(diǎn)，就可以知道此時轉(zhuǎn)子相對于繞組(齒槽)的位置是處于位置“2”。同樣，在由正轉(zhuǎn)負(fù)的過零點(diǎn)時，處于位置“4”。通過這種方式確定轉(zhuǎn)子位置后，可以決定在哪個方向產(chǎn)生繞組磁場。

理論上，也可以推測出其他轉(zhuǎn)子位置。但是，需要克服一些問題，例如感應(yīng)電壓的大小會隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速而變化、永磁體的磁通分布變化會導(dǎo)致感應(yīng)電壓波形變化、以及檢測感應(yīng)電壓大小的方法等。另外，使用比較器電路可以比較容易地檢測到過零點(diǎn)。

作為轉(zhuǎn)子位置的參考，下圖展示了三相星形連接時U相、V相、W相的感應(yīng)電壓及在過零點(diǎn)時的轉(zhuǎn)子位置(轉(zhuǎn)子左轉(zhuǎn)時)。

以上就是對本次疑問“為什么可以通過感應(yīng)電壓知道轉(zhuǎn)子的位置?”的解答。

本文的關(guān)鍵要點(diǎn)

?無刷電機(jī)的感應(yīng)電壓是由穿過繞組(齒槽)的磁通量的變化產(chǎn)生的。

?轉(zhuǎn)子位置的參照物是繞組(齒槽)。

?穿過繞組(齒槽)的磁通量由轉(zhuǎn)子的位置決定。

?通過觀察感應(yīng)電壓波形，可以知道轉(zhuǎn)子相對于繞組的位置。