無(wú)刷直流電機(jī)原理

1、無(wú)刷直流電機(jī)原理1. 簡(jiǎn)介本文要介紹電機(jī)種類(lèi)中發(fā)展快速且應(yīng)用廣泛的無(wú)刷直流電機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)BLDC）。BLDC被廣泛的用于日常生活用具、汽車(chē)工業(yè)、航空、消費(fèi)電子、醫(yī)學(xué)電子、工業(yè)自動(dòng)化等裝置和儀表。顧名思義，BLDC不使用機(jī)械結(jié)構(gòu)的換向電刷而直接使用電子換向器，在使用中BLDC相比有刷電機(jī)有許多的優(yōu)點(diǎn)，比如：  能獲得更好的扭矩轉(zhuǎn)速特性；  高速動(dòng)態(tài)響應(yīng)；  高效率；  長(zhǎng)壽命；  低噪聲；  高轉(zhuǎn)速。另外，BLDC更優(yōu)的扭矩和外形尺寸比使得它更適合用于對(duì)電機(jī)自身重量和大小比較敏

2、感的場(chǎng)合。2. BLDC結(jié)構(gòu)和基本工作原理BLDC屬于同步電機(jī)的一種，這就意味著它的定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)是同頻率的，所以BLDC并不會(huì)產(chǎn)生普通感應(yīng)電機(jī)的頻差現(xiàn)象。BLDC中又有單相、2相和3相電機(jī)的區(qū)別，相類(lèi)型的不同決定其定子線(xiàn)圈繞組的多少。在這里我們將集中討論的是應(yīng)用最為廣泛的3相BLDC。2.1  定子BLDC定子是由許多硅鋼片經(jīng)過(guò)疊壓和軸向沖壓而成，每個(gè)沖槽內(nèi)都有一定的線(xiàn)圈組成了繞組，可以參見(jiàn)圖2.1.1。從傳統(tǒng)意義上講，BLDC的定子和感應(yīng)電機(jī)的定子有點(diǎn)類(lèi)似，不過(guò)在定子繞組的分布上有一定的差別。大多數(shù)的BLDC定子有3個(gè)呈星行排列的繞組，每個(gè)繞組又由許多內(nèi)

3、部結(jié)合的鋼片按照一定的方式組成，偶數(shù)個(gè)繞組分布在定子的周?chē)M成了偶數(shù)個(gè)磁極。 BLDC的定子繞組可以分為梯形和正弦兩種繞組，它們的根本區(qū)別在于由于繞組的不同連接方式使它們產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)（反電動(dòng)勢(shì)的相關(guān)介紹請(qǐng)參加EMF一節(jié)）不同，分別呈現(xiàn)梯形和正弦波形，故用此命名了。梯形和正弦繞組產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)的波形圖如圖2.1.2和圖2.1.3所示。  另外還需要對(duì)反電動(dòng)勢(shì)的一點(diǎn)說(shuō)明就是繞組的不同其相電流也是呈現(xiàn)梯形和正弦波形，可想而知正弦繞組由于波形平滑所以運(yùn)行起來(lái)相對(duì)梯形繞組來(lái)說(shuō)就更平穩(wěn)一些。但是，正弦型繞組由于有更多繞組使得其在銅線(xiàn)的使用上就相對(duì)梯形繞組要多（？）。平時(shí)由于

4、應(yīng)用電壓的不同，我們可以根據(jù)需要選擇不同電壓范圍的無(wú)刷電機(jī)。48V及其以下應(yīng)用電壓的電機(jī)可以用在汽車(chē)、機(jī)器人、小型機(jī)械臂等方面。100V及其以上電壓范圍的電機(jī)可以用在專(zhuān)用器具、自動(dòng)控制以及工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。2.2  轉(zhuǎn)子定子是2至8對(duì)永磁體按照N極和S極交替排列在轉(zhuǎn)子周?chē)鷺?gòu)成的（內(nèi)轉(zhuǎn)子型），如果是外轉(zhuǎn)子型BLDC那么就是貼在轉(zhuǎn)子內(nèi)壁咯。如圖2.2.1所示； 2.3  霍爾傳感器與有刷直流電機(jī)不同，無(wú)刷直流電機(jī)使用電子方式換向。要使BLDC轉(zhuǎn)起來(lái)，必須要按照一定的順序給定子通電，那么我們就需要知道轉(zhuǎn)子的位置以便按照通電次序給相應(yīng)的定子線(xiàn)圈通電。定子的

5、位置是由嵌入到定子的霍爾傳感器感知的。通常會(huì)安排3個(gè)霍爾傳感器在轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)路徑周?chē)o(wú)論何時(shí)，只要轉(zhuǎn)子的磁極掠過(guò)霍爾元件時(shí)，根據(jù)轉(zhuǎn)子當(dāng)前磁極的極性霍爾元件會(huì)輸出對(duì)應(yīng)的高或低電平，這樣只要根據(jù)3個(gè)霍爾元件產(chǎn)生的電平的時(shí)序就可以判斷當(dāng)前轉(zhuǎn)子的位置，并相應(yīng)的對(duì)定子繞組進(jìn)行通電?；魻栃?yīng)：當(dāng)通電導(dǎo)體處于磁場(chǎng)中，由于磁場(chǎng)的作用力使得導(dǎo)體內(nèi)的電荷會(huì)向?qū)w的一側(cè)聚集，當(dāng)薄平板通電導(dǎo)體處于磁場(chǎng)中時(shí)這種效應(yīng)更為明顯，這樣一側(cè)聚集了電荷的導(dǎo)體會(huì)抵消磁場(chǎng)的這種影響，由于電荷在導(dǎo)體一側(cè)的聚集，從而使得導(dǎo)體兩側(cè)產(chǎn)生電壓，這種現(xiàn)象就稱(chēng)為霍爾效應(yīng)，E.H霍爾在1879年發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，故以此命名。 圖2.3.1顯

6、示了NS磁極交替排列的轉(zhuǎn)子的橫截面。霍爾元件安放在電機(jī)的固定位置，將霍爾元件安放到電機(jī)的定子是比較復(fù)雜的，因?yàn)槿绻卜艜r(shí)位置沒(méi)有和轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)相切那么就可能導(dǎo)致霍爾元件的測(cè)量值不能準(zhǔn)確的反應(yīng)轉(zhuǎn)子當(dāng)前的位置，鑒于以上原因，為了簡(jiǎn)化霍爾元件的安裝，通常在電機(jī)的轉(zhuǎn)子上安裝一顆冗余的磁體，這個(gè)磁體專(zhuān)門(mén)用來(lái)感應(yīng)霍爾元件，這樣就能起到和轉(zhuǎn)子磁體感應(yīng)的相同效果，霍爾元件一般按照?qǐng)A周安放在印刷電路板上并配備了調(diào)節(jié)蓋，這樣用戶(hù)就可以根據(jù)磁場(chǎng)的方向非常方便的調(diào)節(jié)霍爾元件的位置以便使它工作在最佳狀態(tài)。霍爾元件位置的安排上，有60°夾角和120°夾角兩種?；谶@種擺放形式，BLDC的電流換向順序由制

7、造廠商制定，當(dāng)我們控制電機(jī)的時(shí)候就需要用到這種換向順序。注意：霍爾元件的電壓范圍從4V到24V不等，電流范圍從5mA到15mA不等，所以在考慮控制器時(shí)要考慮到霍爾元件的電流和電壓要求。另外，霍爾元件輸出集電極開(kāi)路，使用時(shí)需要接上拉電阻。2.4  操作原理每一次換向都會(huì)有一組繞組處于正向通電；第二組反相通電；第三組不通電。轉(zhuǎn)子永磁體的磁場(chǎng)和定子鋼片產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用就產(chǎn)生了轉(zhuǎn)矩，理論上，當(dāng)這兩個(gè)磁場(chǎng)夾角為90°時(shí)會(huì)產(chǎn)生最大的轉(zhuǎn)矩，當(dāng)這兩個(gè)磁場(chǎng)重合時(shí)轉(zhuǎn)矩變?yōu)?，為了使轉(zhuǎn)子不停的轉(zhuǎn)動(dòng)，那么就需要按順序改變定子的磁場(chǎng)，就像轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)一直在追趕定子的磁場(chǎng)一樣。典型的“六步電

8、流換向”順序圖展示了定子內(nèi)繞組的通電次序。2.5  轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速特性圖2.5.1  轉(zhuǎn)矩和速度特性顯示了轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速特性。BLDC一共有兩種轉(zhuǎn)矩度量：最大轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候表現(xiàn)出來(lái)的就是額定轉(zhuǎn)矩。在無(wú)刷電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速之前，轉(zhuǎn)矩不變，無(wú)刷電機(jī)最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的150%，但是超速時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩會(huì)相應(yīng)下降。在實(shí)際的應(yīng)用中，我們常常會(huì)讓帶負(fù)載的電機(jī)啟動(dòng)、停轉(zhuǎn)和逆向運(yùn)行，此時(shí)就需要比額定轉(zhuǎn)矩更大的轉(zhuǎn)矩。特別是當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止和反方向加速時(shí)啟動(dòng)電機(jī)，這個(gè)時(shí)候就需要更大的轉(zhuǎn)矩來(lái)抵消負(fù)載和轉(zhuǎn)子自身的慣性，這個(gè)時(shí)候就需要提供最大的轉(zhuǎn)矩一直到電機(jī)進(jìn)入正向轉(zhuǎn)矩

9、曲線(xiàn)階段 2.6 BLDC和其他類(lèi)型電機(jī)比較   3. 換向時(shí)序圖2.6.1顯示了霍爾元件的輸出、反電動(dòng)勢(shì)和相電流的關(guān)系。圖2.6.2顯示了根據(jù)霍爾元件輸出的波形應(yīng)該給繞組通電的時(shí)序。圖2.6.1中的通電序號(hào)對(duì)應(yīng)的就是圖2.6.2中的序號(hào)，每隔60°夾角其中一個(gè)霍爾元件就會(huì)改變一次其輸出特性，那么一圈（通電周期）下來(lái)就會(huì)有6次變化，同時(shí)相電流也會(huì)每60°改變一次。但是，每完成一個(gè)通電周期并不會(huì)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一周,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一周需要的通電周期數(shù)目和轉(zhuǎn)子上的磁極的對(duì)數(shù)相關(guān)，轉(zhuǎn)子有多少對(duì)磁極那么就需要多少個(gè)通電周期。圖2.6.3是關(guān)于使用MCU控

10、制無(wú)刷電機(jī)的原理圖，其中微控制器PIC18FXX31控制Q0-Q5組成的驅(qū)動(dòng)電路按照一定的時(shí)序?yàn)锽LDC通電，根據(jù)電機(jī)電壓和電流的不同可以選擇不同的驅(qū)動(dòng)電路，如MOSFET、IGBT或者直接使用雙極性三極管。表2.6.1和表2.6.2表示的是基于霍爾輸入時(shí)在A、B、C繞組上的通電時(shí)序。表2.6.1是轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)序，表2.6.2是轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)序。上面兩個(gè)表格顯示的是當(dāng)霍爾元件呈60°排列時(shí)的驅(qū)動(dòng)波形，前面也提到霍爾元件還可以呈120°的夾角排列，那么這個(gè)時(shí)候就需要相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)波形，這些波形都可以在電機(jī)生產(chǎn)商的資料里找到，應(yīng)用時(shí)需要嚴(yán)格遵守通電時(shí)序。 

11、60;     如圖2.6.3所示，假設(shè)驅(qū)動(dòng)電壓和電機(jī)運(yùn)行時(shí)的電壓相等（包括驅(qū)動(dòng)電路本身的損耗），當(dāng)PWMx按照給定的時(shí)序開(kāi)和關(guān)時(shí)無(wú)刷電機(jī)將會(huì)以額定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。為了調(diào)速，我們使用遠(yuǎn)高于電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的PWM波驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通常我們需要至少10倍于電機(jī)最高頻率的PWM驅(qū)動(dòng)波形。當(dāng)PWM驅(qū)動(dòng)波形的占空比變化時(shí)，使得其在定子上的有效電壓變化，這就實(shí)現(xiàn)了無(wú)刷電機(jī)的調(diào)速，另外，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電源電壓高于電機(jī)本身的額定電壓時(shí)，我們可以調(diào)節(jié)PWM的占空比來(lái)使得驅(qū)動(dòng)電源電壓適合電機(jī)的額定驅(qū)動(dòng)電壓?？上攵?，我們可以使用同一個(gè)控制器去掛接不同額定電壓的電機(jī)，此時(shí)只需要用控制器

12、改變一下PWM的占空比就行了。另外還有一種控制方式：當(dāng)微控制器的PWM輸出不夠用時(shí)，可以在整個(gè)通電時(shí)序內(nèi)將上臂一直導(dǎo)通（即上臂不使用PWM）而下臂使用PWM驅(qū)動(dòng)。圖2.6.3中連接數(shù)字和模擬轉(zhuǎn)換通道的分壓電路提供了一定速度的參考電壓，有了這個(gè)電壓，我們就可以計(jì)算PWM波形的有效值。  3.1  閉環(huán)控制我們可以通過(guò)閉環(huán)測(cè)量當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速而達(dá)到控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速的目的，我們通過(guò)計(jì)算期望轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的誤差，然后使用PID算法去調(diào)節(jié)PWM的占空比以達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。對(duì)于低成本，低轉(zhuǎn)速的應(yīng)用場(chǎng)合，可以使用霍爾傳感器獲得轉(zhuǎn)速反饋。利用PIC18FXX31微控制

13、器本身的一個(gè)定時(shí)器去測(cè)量?jī)蓚€(gè)霍爾元件輸出信號(hào)，然后根據(jù)這個(gè)信號(hào)得出實(shí)際的轉(zhuǎn)速。在高轉(zhuǎn)速應(yīng)用場(chǎng)合，我們可以在電機(jī)上裝上光電編碼器，可以利用其輸出相差90°的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的測(cè)量。通常，光電編碼器還可以輸出PPR信號(hào)，使得可以進(jìn)行較精確的轉(zhuǎn)子定位，編碼器的編碼刻度可以上百甚至上千，編碼刻度越多，精度越高。4. 反電動(dòng)勢(shì)（BACK EMF）根據(jù)楞次定律，當(dāng)BLDC轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)其繞組會(huì)產(chǎn)生與繞組兩端電壓相反方向的反向電壓，這就是反電動(dòng)勢(shì)（BACK EMF）。記住，反電動(dòng)勢(shì)和繞組所加電壓是反向的。決定反電動(dòng)勢(shì)的主要因素有以下幾點(diǎn)：  轉(zhuǎn)子的角速度；  轉(zhuǎn)子

14、永磁體的磁場(chǎng)強(qiáng)度；  每個(gè)定子繞組纏繞的線(xiàn)圈數(shù)量。計(jì)算反電動(dòng)勢(shì)的公式：Back EMF = (E) NlBw 其中：  N為每相繞組的線(xiàn)圈數(shù)量  L轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)度  B為轉(zhuǎn)子的磁通密度  W為轉(zhuǎn)子的角速度當(dāng)電機(jī)一旦做好，那么其繞組的線(xiàn)圈數(shù)量和永磁體的磁通密度就定了，由公式可知，唯一決定反電動(dòng)勢(shì)的量就是轉(zhuǎn)子的角速度（也可以換算為線(xiàn)速度）且角速度和反電動(dòng)勢(shì)成正比。廠家一般會(huì)提供電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)常量，通過(guò)它我們可以用來(lái)估計(jì)某一轉(zhuǎn)速下反電動(dòng)勢(shì)的大小。繞組上的電壓等于供電電壓減去反電動(dòng)勢(shì)，廠家在設(shè)計(jì)電

15、機(jī)的時(shí)候會(huì)選取適當(dāng)?shù)姆措妱?dòng)勢(shì)常量以便電機(jī)工作時(shí)有足夠的電壓差可以使電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速并具有足夠的轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電機(jī)超過(guò)額定轉(zhuǎn)速工作時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)會(huì)持續(xù)上升，這時(shí)加在電機(jī)繞組間的有效電壓會(huì)下降，電流會(huì)減少，扭矩會(huì)下降，當(dāng)反電動(dòng)勢(shì)和供電電壓相等的時(shí)候，電流降為0，扭矩為0，電機(jī)達(dá)到極限轉(zhuǎn)速。5. 無(wú)傳感器BLDC控制目前為止，我們所討論的都是基于霍爾元件獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的換向器控制方式，其實(shí)可以直接通過(guò)測(cè)量電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)而知道轉(zhuǎn)子的位置，在圖2.6.1中已經(jīng)可以比較清晰的看出反電動(dòng)勢(shì)和霍爾元件輸出信號(hào)之間的關(guān)系。通過(guò)前些章節(jié)的討論，我們可以看出在任何時(shí)候，電機(jī)的繞組都是有一相為正向通電、一相為反向通電和另外一

16、相為不通電。當(dāng)某相反電動(dòng)勢(shì)反向的時(shí)候霍爾傳感器的輸出也跟著變化。理想狀態(tài)下，霍爾元件的輸出會(huì)在相反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零的時(shí)候發(fā)生改變，實(shí)際應(yīng)用時(shí)會(huì)有一段小的延遲，這種延遲可以通過(guò)微控制器補(bǔ)償。圖3.1.1為利用反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)的方式來(lái)控制BLDC。 還有一方面需要考慮：當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速比較低的時(shí)候，反電動(dòng)勢(shì)會(huì)比較小，以致過(guò)零檢測(cè)電路無(wú)法正常檢測(cè)，這個(gè)時(shí)候在電機(jī)啟動(dòng)階段就需要使用開(kāi)環(huán)控制，當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)到產(chǎn)生可以過(guò)零檢測(cè)的反電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)速時(shí)，系統(tǒng)就需要切換到過(guò)零檢測(cè)控制模式，進(jìn)行閉環(huán)控制。最低的過(guò)零檢測(cè)轉(zhuǎn)速可以根據(jù)電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)常量計(jì)算出來(lái)。根據(jù)這個(gè)原理，可以去除霍爾元件以及因其安裝的輔助磁體，這樣就可以簡(jiǎn)化

17、制造節(jié)約成本。另外，除去了霍爾元件的電機(jī)可以安裝在一些粉塵和油污比較大的地方而無(wú)須為保證霍爾的正常工作而定時(shí)進(jìn)行清理，與此同時(shí)，這種免維護(hù)電機(jī)還可以安裝在人很難觸及的地方。6. 選擇合適的BLDC 為實(shí)際應(yīng)用選擇合適的電機(jī)是至關(guān)重要的。根據(jù)電機(jī)的負(fù)載特性，需要確定合適的電機(jī)參數(shù)。其主要參數(shù)有以下幾點(diǎn)：  應(yīng)用是的最大扭矩要求；  平方根(RMS)扭矩需求；  轉(zhuǎn)速要求。6.1  最大扭矩最大的扭矩可以通過(guò)將負(fù)載扭矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和摩擦力相加得到。另外，還有一些額外的因素影響最大需求扭矩如：氣隙空氣的阻力等，這

18、就需要至少20%的扭矩余量，綜上所述，有以下等式： TJ為電機(jī)啟動(dòng)或加速過(guò)程需要克服的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，其主要包括電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，其表示為： 上式中為加速度，JL+M為定子和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。電機(jī)的機(jī)械軸決定電機(jī)的負(fù)載力矩和摩擦力。6.2  平方根扭矩可以近似的認(rèn)為平方根扭矩為實(shí)際應(yīng)用中需要的持續(xù)輸出扭矩。它由很多因素決定：最大扭矩、負(fù)載扭矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、加速、減速以及運(yùn)行時(shí)間。下面的等式表示了平方根扭矩的計(jì)算，其中TA為加速時(shí)間、TD為減速時(shí)間和TR為運(yùn)行時(shí)間。 6.3  轉(zhuǎn)速這是有應(yīng)用需求的轉(zhuǎn)速。比如，吹風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)

19、速需求是，最高轉(zhuǎn)速和平均轉(zhuǎn)速相差不大，顯然在一些點(diǎn)對(duì)點(diǎn)定位系統(tǒng)如傳送帶和機(jī)械臂系統(tǒng)中就需要大轉(zhuǎn)速范圍的電機(jī)，可以根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速梯形曲線(xiàn)（）確定電機(jī)的轉(zhuǎn)速需求。通常，由于其他因素，在計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速需求的時(shí)候需要留有10%余量。 7. BLDC典型應(yīng)用BLDC的應(yīng)用十分廣泛，如汽車(chē)、工具、工業(yè)工控、自動(dòng)化以及航空航天等等。總的來(lái)說(shuō)，BLDC可以分為以下三種主要用途：  持續(xù)負(fù)載應(yīng)用  可變負(fù)載應(yīng)用  定位應(yīng)用7.1  持續(xù)負(fù)載應(yīng)用這種應(yīng)用主要用于那些需要一定轉(zhuǎn)速但是對(duì)轉(zhuǎn)速精度要求不高的領(lǐng)域，比如風(fēng)扇、抽水機(jī)、吹風(fēng)氣等一類(lèi)的應(yīng)用。通常這類(lèi)應(yīng)用成本比較低且多是開(kāi)環(huán)控制。7.2  可變負(fù)載應(yīng)用這類(lèi)主要指的是電機(jī)轉(zhuǎn)速需要在