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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(shè)備(HED
)簡略的爆炸視圖。
此IC能夠感應(yīng)的極性轉(zhuǎn)子的磁場，然后發(fā)送適當(dāng)?shù)男盘柕焦β示w管T1和T2上，以使電機的轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)。
運行原理如下：
1。當(dāng)轉(zhuǎn)子不動時，HED檢測到轉(zhuǎn)子的北磁極，使它產(chǎn)生一個信號，觸發(fā)晶體管T2。這將導(dǎo)致電流流過，從而激勵繞組W2形成吸引電磁轉(zhuǎn)子的磁極—南極 。進(jìn)而吸引了轉(zhuǎn)子的北極使得轉(zhuǎn)子繞逆時針（CCW）方向旋轉(zhuǎn)。
2。轉(zhuǎn)子的慣性使其轉(zhuǎn)過它的中間位置，HED檢測轉(zhuǎn)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(jìn)而形成一個尋找北定子的磁極，該磁極吸引轉(zhuǎn)子的南極，使其繼續(xù)在CCW方向旋轉(zhuǎn)。晶體管以正確的順序進(jìn)行，以確保在定子繞組W2和W1上的勵磁總是使得PM轉(zhuǎn)子磁產(chǎn)生所需的扭矩以保持轉(zhuǎn)子在不斷旋轉(zhuǎn)。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(qū)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(shè)計，其中包括霍爾效應(yīng)。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(jié)在一起，以形成一個剛性結(jié)構(gòu)，類似于杯型轉(zhuǎn)子。它被固定在鋼疊片內(nèi)的電動機殼體內(nèi)。
這種操作方法允許起動電流的范圍值和具體轉(zhuǎn)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(yīng)用程序來選擇最佳的電機?；魻栃?yīng)傳感器和被磁化的小磁鐵盤被裝在馬達(dá)殼體內(nèi)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)計，當(dāng)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(zhuǎn)子位置。來自旋轉(zhuǎn)變壓器的高分辨率信號可以用來產(chǎn)生電動機控制器內(nèi)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(zhuǎn)子位置指示器：1-固定無刷電機繞組 2-永久磁鐵電動機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子位置指示器：1-靜止電機繞組 2-永磁電機的轉(zhuǎn)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(dá)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(chǎn)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(dá)50,000 RPM轉(zhuǎn)速的相當(dāng)于約5000rpm旋轉(zhuǎn)刷式直流馬達(dá)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(zhuǎn)電源的極性反轉(zhuǎn)。供給到所述勵磁線圈的電流的順序必須被扭轉(zhuǎn)。
?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(qū)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(fù)雜更昂貴
因此，一個無刷電動機的選擇通?；谔囟ǖ膽?yīng)用需求或危險的操作環(huán)境。
無刷旋轉(zhuǎn)伺服電機的特性
由于各種各樣的市售產(chǎn)品的電機，很難對直流特性旋轉(zhuǎn)伺服電機進(jìn)行總結(jié)。
然而，他們通常提供0.62磅 - 英尺的連續(xù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，并且這些馬達(dá)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(dá)基本上是一個放在一個平面上的回轉(zhuǎn)馬達(dá)，但是它運行原則一樣。一種永久磁鐵直流線性馬達(dá)類似于一個永久磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機，同時一個
交流異步鼠籠電機類似于感應(yīng)直線電機。旋轉(zhuǎn)電動機中產(chǎn)生扭矩的電磁力同樣可以在線性馬達(dá)產(chǎn)生相同的扭矩。線性馬達(dá)的控制方法一樣并且使用可編程的位置控制器作為旋轉(zhuǎn)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(dá)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(chǎn)生一個力。銅繞組傳導(dǎo)電流（ I），同時組件生成的磁通密度（B）。當(dāng)電流和磁通密度互動，一個力（F）在如圖1-27所示的方向產(chǎn)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(chǎn)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(yīng)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(chǎn)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(gòu)集中于用磁通產(chǎn)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(shè)置成具有交替 極性（即，N，S，N，S）。