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28.第一章 電機和運動控制系統(tǒng)
圖1-24是
無刷直流電機
與霍爾設備(HED
)簡略的爆炸視圖。
此IC能夠感應的極性轉子的磁場，然后發(fā)送適當?shù)男盘柕焦β示w管T1和T2上，以使電機的轉子連續(xù)旋轉。
運行原理如下：
1。當轉子不動時，HED檢測到轉子的北磁極，使它產生一個信號，觸發(fā)晶體管T2。這將導致電流流過，從而激勵繞組W2形成吸引電磁轉子的磁極—南極 。進而吸引了轉子的北極使得轉子繞逆時針（CCW）方向旋轉。
2。轉子的慣性使其轉過它的中間位置，HED檢測轉子的南磁極，從而切換到晶體管T1，使在繞組W1中流動的電流進而形成一個尋找北定子的磁極，該磁極吸引轉子的南極，使其繼續(xù)在CCW方向旋轉。晶體管以正確的順序進行，以確保在定子繞組W2和W1上的勵磁總是使得PM轉子磁產生所需的扭矩以保持轉子在不斷旋轉。該 繞組以圍繞著定子的方式通電。
此外在實際的無刷電機中，2或3 HEDS以90或120度間隔開。它們把信號發(fā)送到運動控制器，實際上觸發(fā)功率晶體管，驅動電樞繞組在指定的電機電流和電壓電平。
在分解圖圖1-24無刷電機說明了一個微型直流無刷電機的設計，其中包括霍爾效應。該定子形成為銅線圈的無鐵芯套筒與聚合物樹脂和玻璃纖維粘結在一起，以形成一個剛性結構，類似于杯型轉子。它被固定在鋼疊片內的電動機殼體內。
這種操作方法允許起動電流的范圍值和具體轉速（rpm/ V）取決于線徑和次數(shù)。各個終端電阻可以得到，從而允許用戶用一個特定的應用程序來選擇最佳的電機。霍爾效應傳感器和被磁化的小磁鐵盤被裝在馬達殼體內的圓盤狀的分區(qū)。
無刷電機中的位置傳感器
這兩個磁傳感器和解析器可以檢測到轉子在無刷電機中的位置。在圖1-25的圖表中顯示了三個磁傳感器如何檢測到轉子在三相電整流無刷直流電動機的位置。在這個例子中，磁傳感器位于底鈴電機的里面。這廉價的版本足夠滿足簡單的控制的要求了。
圖1-26所示是另外一種設計，當需要更高的定位 的精度要求時，端蓋上的分解器用來檢測轉子位置。來自旋轉變壓器的高分辨率信號可以用來產生電動機控制器內的正弦電機電流。通過三個電機繞組中的電流是獨立的，分別為120°相位位置。
圖1-25磁傳感器作為轉子位置指示器：1-固定無刷電機繞組 2-永久磁鐵電動機轉子3-三相電整流場 4-三磁傳感器 5-電子電路板
圖1-26解析器作為轉子位置指示器：1-靜止電機繞組 2-永磁電機的轉子 3-三相電整流場 4-三個磁傳感器 5-電子電路板
無刷電機的優(yōu)勢
無刷直流電機相對于有刷流電動機至少有四個不同的優(yōu)勢，這歸 于無刷電機用電子換向的方式替換機械式換向。
?沒有必要更換刷子或從馬達上刪除引起的電刷磨損的堅韌不拔的殘留物。
?無電刷引起電弧，無刷電機就不能在易燃或存在爆炸性氣體，灰塵或液體的環(huán)境中產生火和爆炸的可能。
?通過替換機械換向使電磁干擾（EMI）最小化，用電子換向不需要的無線電頻率源。
?用電子換向的無刷電機運行速度更快，更有效?？梢詫崿F(xiàn)高達50,000 RPM轉速的相當于約5000rpm旋轉刷式直流馬達的上限。
無刷直流電機的劣勢
無刷直流伺服電動機的至少四個缺點
?無刷永磁直流伺服電機不能簡單的通過扭轉電源的極性反轉。供給到所述勵磁線圈的電流的順序必須被扭轉。
?無刷直流伺服電機的成本比同等有刷直流伺服電機高。
?需要額外的系統(tǒng)布線給電子換向電路供電。
?運動控制器和驅動器電子需要操作一個無刷直流伺服電機，這個比常規(guī)直流伺服電動機是更復雜更昂貴
因此，一個無刷電動機的選擇通?；谔囟ǖ膽眯枨蠡蛭ｋU的操作環(huán)境。
無刷旋轉伺服電機的特性
由于各種各樣的市售產品的電機，很難對直流特性旋轉伺服電機進行總結。
然而，他們通常提供0.62磅 - 英尺的連續(xù)轉矩額定值（0.84米）至5.0磅 - 英尺（6.8米），1.9磅 - 英尺的峰值扭矩額定值（2.6 納米）到14磅 - 英尺（19牛米），和0.73馬力的連續(xù)額定功率 （0.54千瓦），以2.76馬力（2.06千瓦）。最高速度可以從1400變化到7500轉，并且這些馬達的重量可以從5.0磅（2.3千克）到23磅（10公斤）。反饋通?？梢允怯山馕銎骰蚓幋a器獲得。
直線伺服電機
線性馬達基本上是一個放在一個平面上的回轉馬達，但是它運行原則一樣。一種永久磁鐵直流線性馬達類似于一個永久磁鐵式旋轉電機，同時一個
交流異步鼠籠電機類似于感應直線電機。旋轉電動機中產生扭矩的電磁力同樣可以在線性馬達產生相同的扭矩。線性馬達的控制方法一樣并且使用可編程的位置控制器作為旋轉電機。
圖1-27為一線性伺服電機的運行原則
在直線電機未發(fā)明出來之前，只有使用氣動或液壓缸，或用滾珠螺桿或皮帶和滑輪才能實現(xiàn)線性運動。滾珠螺桿或皮帶和皮帶輪。
線性馬達有兩個機械組件：線圈和磁鐵，如圖1-27 。繞組中的電流在磁通場中流動產生一個力。銅繞組傳導電流（ I），同時組件生成的磁通密度（B）。當電流和磁通密度互動，一個力（F）在如圖1-27所示的方向產生，其中F = I *B。
即使是很小的電機運行也會有效率，并且如果線圈圈數(shù)很多，磁鐵磁力很強可以產生很大一個力。除了繞組的相差120度電位，它們還必須不斷地切換或換向，以維持運動。
這里僅討論閉環(huán)伺服系統(tǒng)無刷直線電動機。這些電機中有兩種類型可在市場中購買到：鋼芯（也稱為鐵心）和環(huán)氧核心（也稱為 無鐵芯） 。這些線性伺服電機具有的特點和特性在不同的應用擇優(yōu)選擇。
鋼芯電機的線圈繞在硅鋼上的目的是使用磁體組或其他方法產生的力最大化。圖1-28是一個鋼芯無刷直線電機。在這些電機的鋼機構集中于用磁通產生非常高的力密度。磁體組件包括安裝 在鋼基片的上表面上的稀土磁鐵棒，它們被設置成具有交替 極性（即，N，S，N，S）。