【直流無刷電機】直流無刷電機原理 直流無刷電機工作原理詳解

【直流無刷電機】直流無刷電機原理 直流無刷電機工作原理詳解

直流無刷電機原理

1、簡介

本文要介紹電機種類中發展快速且應用廣泛的無刷直流電機（以下簡稱BLDC）。BLDC被廣泛的用於日常生活用具、汽車工業、航空、消費電子、醫學電子、工業自動化等裝置和儀表。

顧名思義，BLDC不使用機械結構的換向電刷而直接使用電子換向器，在使用中BLDC相比有刷電機有許多的優點，比如：

·能獲得更好的扭矩轉速特性；

·高速動態響應；

·高效率；

·長壽命；

·低噪聲；

·高轉速。

另外，BLDC更優的扭矩和外形尺寸比使得它更適合用於對電機自身重量和大小比較敏感的場合。 在這篇應用筆記中將會對BLDC的結構、基本原理、特性和應用做一係列的探討。探討過程中可能用到的術語可以在附錄B“術語表”中找到相應的解釋。

2、BLDC結構和基本工作原理

BLDC屬於同步電機的一種，這就意味著它的定子產生的磁場和轉子產生的磁場是同頻率的，所以BLDC並不會產生普通感應電機的頻差現象。BLDC中又有單相、2相和3相電機的區別，相類型的不同決定其定子線圈繞組的多少。在這裏我們將集中討論的是應用最為廣泛的3相BLDC。

（1） 定子

BLDC定子是由許多矽鋼片經過疊壓和軸向衝壓而成，每個衝槽內都有一定的線圈組成了繞組，可以參見下圖。從傳統意義上講，BLDC的定子和感應電機的定子有點類似，不過在定子繞組的分布上有一定的差別。大多數的BLDC定子有3個呈星行排列的繞組，每個繞組又由許多內部結合的鋼片按照一定的方式組成，偶數個繞組分布在定子的周圍組成了偶數個磁極。

圖2.1.1. BLDC內部結構

BLDC的定子繞組可以分為梯形和正弦兩種繞組，它們的根本區別在於由於繞組的不同連接方式使它們產生的反電動勢（反電動勢的相關介紹請參加EMF一節）不同，分別呈現梯形和正弦波形，故用此命名了。梯形和正弦繞組產生的反電動勢的波形圖如下圖。

另外還需要對反電動勢的一點說明就是繞組的不同其相電流也是呈現梯形和正弦波形，可想而知正弦繞組由於波形平滑所以運行起來相對梯形繞組來說就更平穩一些。但是，正弦型繞組由於有更多繞組使得其在銅線的使用上就相對梯形繞組要多。

平時由於應用電壓的不同，我們可以根據需要選擇不同電壓範圍的無刷電機。48V及其以下應用電壓的電機可以用在汽車、機器人、小型機械臂等方麵。100V及其以上電壓範圍的電機可以用在專用器具、自動控製以及工業生產領域。

（2）轉子

定子是2至8對永磁體按照N極和S極交替排列在轉子周圍構成的（內轉子型），如果是外轉子型BLDC那麼就是貼在轉子內壁咯。如圖2.2.1所示；

圖2.2.1 轉子磁極排布

（3）霍爾傳感器

與有刷直流電機不同，無刷直流電機使用電子方式換向。要使BLDC轉起來，必須要按照一定的順序給定子通電，那麼我們就需要知道轉子的位置以便按照通電次序給相應的定子線圈通電。定子的位置是由嵌入到定子的霍爾傳感器感知的。通常會安排3個霍爾傳感器在轉子的旋轉路徑周圍。無論何時，隻要轉子的磁極掠過霍爾元件時，根據轉子當前磁極的極性霍爾元件會輸出對應的高或低電平，這樣隻要根據3個霍爾元件產生的電平的時序就可以判斷當前轉子的位置，並相應的對定子繞組進行通電。

霍爾效應：當通電導體處於磁場中，由於磁場的作用力使得導體內的電荷會向導體的一側聚集，當薄平板通電導體處於磁場中時這種效應更為明顯，這樣一側聚集了電荷的導體會抵消磁場的這種影響，由於電荷在導體一側的聚集，從而使得導體兩側產生電壓，這種現象就稱為霍爾效應，E.H霍爾在1879年發現了這一現象，故以此命名。

圖2.3.1 霍爾傳感器測量原理

圖 2.3.1顯示了NS磁極交替排列的轉子的橫截麵。霍爾元件安放在電機的固定位置，將霍爾元件安放到電機的定子是比較複雜的，因為如果安放時位置沒有和轉子的磁場相切那麼就可能導致霍爾元件的測量值不能準確的反應轉子當前的位置，鑒於以上原因，為了簡化霍爾元件的安裝，通常在電機的轉子上安裝一顆冗餘的磁體，這個磁體專門用來感應霍爾元件，這樣就能起到和轉子磁體感應的相同效果，霍爾元件一般按照圓周安放在印刷電路板上並配備了調節蓋，這樣用戶就可以根據磁場的方向非常方便的調節霍爾元件的位置以便使它工作在最佳狀態。

霍爾元件位置的安排上，有60°夾角和120°夾角兩種。基於這種擺放形式，BLDC的電流換向順序由製造廠商製定，當我們控製電機的時候就需要用到這種換向順序。

注意：霍爾元件的電壓範圍從4V到24V不等，電流範圍從5mA到15mA不等，所以在考慮控製器時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路，使用時需要接上拉電阻。

（4）操作原理

每一次換向都會有一組繞組處於正向通電；第二組反相通電；第三組不通電。轉子永磁體的磁場和定子鋼片產生的磁場相互作用就產生了轉矩，理論上，當這兩個磁場夾角為90°時會產生最大的轉矩，當這兩個磁場重合時轉矩變為0，為了使轉子不停的轉動，那麼就需要按順序改變定子的磁場，就像轉子的磁場一直在追趕定子的磁場一樣。典型的“六步電流換向”順序圖展示了定子內繞組的通電次序。

（5）轉矩/轉速特性

圖 2.5.1 轉矩和速度特性顯示了轉矩和轉速特性。BLDC一共有兩種轉矩度量：最大轉矩和額定轉矩。當電機連續運轉的時候表現出來的就是額定轉矩。在無刷電機達到額定轉速之前，轉矩不變，無刷電機最高轉速可以達到額定轉速的150%，但是超速時電機的轉矩會相應下降。

在實際的應用中，我們常常會讓帶負載的電機啟動、停轉和逆向運行，此時就需要比額定轉矩更大的轉矩。特別是當轉子靜止和反方向加速時啟動電機，這個時候就需要更大的轉矩來抵消負載和轉子自身的慣性，這個時候就需要提供最大的轉矩一直到電機進入正向轉矩曲線階段。

3、換向時序

圖2.6.1顯示了霍爾元件的輸出、反電動勢和相電流的關係。圖2.6.2顯示了根據霍爾元件輸出的波形應該繞組通電的時序。

圖2.6.1中的通電序號對應的就是圖2.6.2中的序號，每隔60°夾角其中一個霍爾元件就會改變一次其輸出特性，那麼一圈（通電周期）下來就會有6次變化，同時相電流也會每60°改變一次。但是，每完成一個通電周期並不會使轉子轉動一周,轉子轉動一周需要的通電周期數目和轉子上的磁極的對數相關，轉子有多少對磁極那麼就需要多少個通電周期。

圖2.6.3是關於使用MCU控製無刷電機的原理圖，其中微控製器PIC18FXX31控製Q0-Q5組成的驅動電路按照一定的時序為BLDC通電，根據電機電壓和電流的不同可以選擇不同的驅動電路，如MOSFET、IGBT或者直接使用雙極性三極管。

表2.6.1和表2.6.2表示的是基於霍爾輸入時在A、B、C繞組上的通電時序。表2.6.1是轉子順時針轉動的時序，表2.6.2是轉子逆時針轉動的時序。上麵兩個表格顯示的是當霍爾元件呈60°排列時的驅動波形，前麵也提到霍爾元件還可以呈120°的夾角排列，那麼這個時候就需要相應的驅動波形，這些波形都可以在電機生產商的資料裏找到，應用時需要嚴格遵守通電時序。

假設驅動電壓和電機運行時的電壓相等（包括驅動電路本身的損耗），當PWMx按照給定的時序開和關時無刷電機將會以額定的轉速旋轉。為了調速，我們使用遠高於電機運轉頻率的PWM波驅動電機，通常我們需要至少10倍於電機最高頻率的PWM驅動波形。當PWM驅動波形的占空比變化時，使得其在定子上的有效電壓變化，這就實現了無刷電機的調速，另外，當驅動電源電壓高於電機本身的額定電壓時，我們可以調節PWM的占空比來使得驅動電源電壓適合電機的額定驅動電壓。可想而知，我們可以使用同一個控製器去掛接不同額定電壓的電機，此時隻需要用控製器改變一下PWM的占空比就行了。 另外還有一種控製方式：當微控製器的PWM輸出不夠用時，可以在整個通電時序內將上臂一直導通（即上臂不使用PWM）而下臂使用PWM驅動。

圖 2.6.3中連接數字和模擬轉換通道的分壓電路提供了一定速度的參考電壓，有了這個電壓，我們就可以計算PWM波形的有效值。

（1）閉環控製

我們可以通過閉環測量當前電機的轉速而達到控製電機的轉速的目的，我們通過計算期望轉速和實際轉速的誤差，然後使用PID算法去調節PWM的占空比以達到控製電機轉速的目的。

對於低成本，低轉速的應用場合，可以使用霍爾傳感器獲得轉速反饋。利用PIC18FXX31微控製器本身的一個定時器去測量兩個霍爾元件輸出信號，然後根據這個信號得出實際的轉速。

在高轉速應用場合，我們可以在電機上裝上光電編碼器，可以利用其輸出相差90°的信號進行轉速和轉向的測量。通常，光電編碼器還可以輸出PPR信號，使得可以進行較精確的轉子定位，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、反電動勢（BACK EMF）

根據楞次定律，當BLDC轉動時其繞組會產生與繞組兩端電壓相反方向的反向電壓，這就是反電動勢（BACK EMF）。記住，反電動勢和繞組所加電壓是反向的。決定反電動勢的主要因素有以下幾點：

· 轉子的角速度；

· 轉子永磁體的磁場強度；

· 每個定子繞組纏繞的線圈數量。

計算反電動勢的公式： Back EMF = (E) ∝ NlBw 其中：

· N為每相繞組的線圈數量

· L轉子的長度

· B為轉子的磁通密度

· W為轉子的角速度

當電機一旦做好，那麼其繞組的線圈數量和永磁體的磁通密度就定了，由公式可知，唯一決定反電動勢的量就是轉子的角速度（也可以換算為線速度）且角速度和反電動勢成正比。廠家一般會提供電機的反電動勢常量，通過它我們可以用來估計某一轉速下反電動勢的大小。

繞組上的電壓等於供電電壓減去反電動勢，廠家在設計電機的時候會選取適當的反電動勢常量以便電機工作時有足夠的電壓差可以使電機達到額定轉速並具有足夠的轉矩。當電機超過額定轉速工作時，反電動勢會持續上升，這時加在電機繞組間的有效電壓會下降，電流會減少，扭矩會下降，當反電動勢和供電電壓相等的時候，電流降為0，扭矩為0，電機達到極限轉速

5、無傳感器BLDC控製

目前為止，我們所討論的都是基於霍爾元件獲取電機轉子位置的換向器控製方式，其實可以直接通過測量電機反電動勢而知道轉子的位置，在 圖 2.6.1中已經可以比較清晰的看出反電動勢和霍爾元件輸出信號之間的關係。

通過前些章節的討論，我們可以看出在任何時候，電機的繞組都是有一相為正向通電、一相為反向通電和另外一相為不通電。當某相反電動勢反向的時候霍爾傳感器的輸出也跟著變化。理想狀態下，霍爾元件的輸出會在相反電動勢過零的時候發生改變，實際應用時會有一段小的延遲，這種延遲可以通過微控製器補償。

圖 3.1.1為利用反電動勢過零檢測的方式來控製BLDC。

還有一方麵需要考慮：當電機轉速比較低的時候，反電動勢會比較小，以致過零檢測電路無法正常檢測，這個時候在電機啟動階段就需要使用開環控製，當電機啟動到產生可以過零檢測的反電動勢轉速時，係統就需要切換到過零檢測控製模式，進行閉環控製。最低的過零檢測轉速可以根據電機的反電動勢常量計算出來。根據這個原理，可以去除霍爾元件以及因其安裝的輔助磁體，這樣就可以簡化製造節約成本。另外，除去了霍爾元件的電機可以安裝在一些粉塵和油汙比較大的地方而無須為保證霍爾的正常工作而定時進行清理，與此同時，這種免維護電機還可以安裝在人很難觸及的地方。

6、選擇合適的BLDC

為實際應用選擇合適的電機是至關重要的。根據電機的負載特性，需要確定合適的電機參數。其主要參數有以下幾點：

·應用是的最大扭矩要求；

·平方根(RMS)扭矩需求；

·轉速要求。

（1）最大扭矩

最大的扭矩可以通過將負載扭矩、轉動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，這就需要至少20%的扭矩餘量，綜上所述，有以下等式：

TP = (TL + TJ + TF) * 1.2

TJ為電機啟動或加速過程需要克服的轉動力矩，其主要包括電機轉子的轉動力矩和負載的轉動力矩，其表示為：

TJ = JL + M * α

上式中α為加速度，JL+M為定子和負載的轉動力矩。 電機的機械軸決定電機的負載力矩和摩擦力。

（2）平方根扭矩

可以近似的認為平方根扭矩為實際應用中需要的持續輸出扭矩。它由很多因素決定：最大扭矩、負載扭矩、轉動慣量、加速、減速以及運行時間。下麵的等式表示了平方根扭矩的計算，其中TA為加速時間、TD為減速時間和TR為運行時間。

TRMS = √ [{TP2 TA + (TL + TF)2TR + (TJ – TL – TF)2 TD}/(TA + TR + TD)]

（3）轉速

這是有應用需求的轉速。比如，吹風機的轉速需求是，最高轉速和平均轉速相差不大，顯然在一些點對點定位係統如傳送帶和機械臂係統中就需要大轉速範圍的電機，可以根據電機的轉速梯形曲線（）確定電機的轉速需求。通常，由於其他因素，在計算電機轉速需求的時候需要留有10%餘量。

7、BLDC典型應用

BLDC的應用十分廣泛，如汽車、工具、工業工控、自動化以及航空航天等等。總的來說，BLDC可以分為以下三種主要用途：

·持續負載應用

·可變負載應用

·定位應用

（1）持續負載應用

這種應用主要用於那些需要一定轉速但是對轉速精度要求不高的領域，比如風扇、抽水機、吹風氣等一類的應用。通常這類應用成本比較低且多是開環控製。

（2）可變負載應用

這類主要指的是電機轉速需要在某個範圍內變化的應用，在這類應用中主要對電機的高轉速特性和動態響應特性有更高的要求。家用器具中的洗衣機、甩幹機和壓縮機就是很好的例子。在汽車工業領域，油泵控製、電控製器、發動機控製和電子工具等也是很好的例子。在航空領域也有很多的應用，比如離心機、泵、機械臂、陀螺儀等等。這個領域中多使用電機反饋器件組成半開環和閉環進行控製。這就需要複雜的控製算法，增加了控製器的複雜程度也增加了係統成本。

（3）定位應用

大多數的工業控製和自動控製方麵的應用屬於這個類別。在這些應用中往往會完成能量的輸送，如齒輪或者傳送帶，因此係統對電機的轉速的動態響應和轉矩有特別的要求，同時這些應用也可能需要隨時的改變電機的轉向，電機可能工作在勻速，加速，減少階段，而且有可能在這些階段中負載也在變化，所以這對控製器提出了更高的要求，通常這種控製使用閉環控製，甚至會有扭矩環、速度環和位置環三個控製環。測速時可能會用上光電編碼器和一些同步設備。有時候這些傳感器會被用於測量相對位置，也有時候用於測量絕對位置。過程控製、機械控製和運輸控製很多都屬於這類應用。

8、總結

總的來說，無刷電機相對傳統的有刷電機、感應電機而言，它擁有高的轉速/扭矩比、好動態特性、高效率、長壽命、低噪聲、寬轉速範圍和製造容易等等優良特性。特別是去單位體積的功率輸出特性使得其可以用於對尺寸和重量敏感的場合。這些優良的特性使得BLDC在工業控製領域、汽車工業、航空航天等等領域有著非常廣泛的應用！

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