【直流(liu)無(wu)刷(shua)電機】直流(liu)無(wu)刷(shua)電機原(yuan)理 直流(liu)無(wu)刷(shua)電機工(gong)作(zuo)原(yuan)理詳(xiang)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被廣泛的用于日常生活用具、汽車工業、航空、消費電(dian)子、醫學電(dian)子、工業自動化等裝(zhuang)置和儀表。

顧名思義，BLDC不使用(yong)機械(xie)結構的換向電(dian)刷(shua)而直接使用(yong)電(dian)子換向器(qi)，在使用(yong)中BLDC相比有(you)刷(shua)電(dian)機有(you)許(xu)多的優點，比如(ru)：

·能獲得更好的(de)扭矩轉速特性；

·高(gao)速動態響應(ying)；

·高效率；

·長壽命；

·低噪聲；

·高轉速。

另外(wai)(wai)，BLDC更優(you)的(de)扭(niu)矩和(he)(he)外(wai)(wai)形尺寸比(bi)使得(de)它更適(shi)合用(yong)于(yu)對電(dian)機(ji)自(zi)身(shen)重量和(he)(he)大(da)小比(bi)較(jiao)敏感的(de)場合。 在(zai)這篇(pian)應用(yong)筆記中(zhong)將會對BLDC的(de)結構、基本原(yuan)理、特性和(he)(he)應用(yong)做一系(xi)列的(de)探討。探討過程中(zhong)可(ke)能用(yong)到的(de)術語可(ke)以在(zai)附(fu)錄B“術語表”中(zhong)找(zhao)到相應的(de)解(jie)釋。

2、BLDC結構和基本工作原理

BLDC屬(shu)于(yu)同(tong)步電機(ji)的(de)(de)(de)一種，這就意味著它的(de)(de)(de)定(ding)子(zi)產(chan)(chan)生的(de)(de)(de)磁(ci)場和轉子(zi)產(chan)(chan)生的(de)(de)(de)磁(ci)場是同(tong)頻率的(de)(de)(de)，所以(yi)BLDC并(bing)不會產(chan)(chan)生普(pu)通感應電機(ji)的(de)(de)(de)頻差現象。BLDC中又有單相(xiang)(xiang)、2相(xiang)(xiang)和3相(xiang)(xiang)電機(ji)的(de)(de)(de)區別，相(xiang)(xiang)類型的(de)(de)(de)不同(tong)決定(ding)其定(ding)子(zi)線圈繞組的(de)(de)(de)多少(shao)。在(zai)這里我們將(jiang)集中討論的(de)(de)(de)是應用最為廣(guang)泛的(de)(de)(de)3相(xiang)(xiang)BLDC。

（1） 定子

BLDC定(ding)(ding)子(zi)是由(you)許多(duo)硅鋼(gang)片經(jing)過(guo)疊壓和軸向沖壓而成(cheng)，每(mei)個沖槽內都(dou)有一定(ding)(ding)的(de)(de)(de)線圈組(zu)成(cheng)了繞(rao)(rao)組(zu)，可以參見下圖(tu)。從(cong)傳統意義上講，BLDC的(de)(de)(de)定(ding)(ding)子(zi)和感應電機的(de)(de)(de)定(ding)(ding)子(zi)有點類似，不過(guo)在定(ding)(ding)子(zi)繞(rao)(rao)組(zu)的(de)(de)(de)分布(bu)上有一定(ding)(ding)的(de)(de)(de)差別。大多(duo)數(shu)的(de)(de)(de)BLDC定(ding)(ding)子(zi)有3個呈星行(xing)排列的(de)(de)(de)繞(rao)(rao)組(zu)，每(mei)個繞(rao)(rao)組(zu)又由(you)許多(duo)內部(bu)結合的(de)(de)(de)鋼(gang)片按照一定(ding)(ding)的(de)(de)(de)方(fang)式組(zu)成(cheng)，偶(ou)(ou)數(shu)個繞(rao)(rao)組(zu)分布(bu)在定(ding)(ding)子(zi)的(de)(de)(de)周圍組(zu)成(cheng)了偶(ou)(ou)數(shu)個磁極。

圖(tu)2.1.1. BLDC內部結構

BLDC的定子繞(rao)組(zu)(zu)可以分為梯形(xing)和正(zheng)弦兩(liang)種(zhong)繞(rao)組(zu)(zu)，它們的根本區別(bie)在于(yu)由于(yu)繞(rao)組(zu)(zu)的不同連接方式使它們產(chan)生(sheng)的反電(dian)動(dong)(dong)勢(shi)（反電(dian)動(dong)(dong)勢(shi)的相關介紹請參加EMF一節）不同，分別(bie)呈現梯形(xing)和正(zheng)弦波形(xing)，故(gu)用此命名了。梯形(xing)和正(zheng)弦繞(rao)組(zu)(zu)產(chan)生(sheng)的反電(dian)動(dong)(dong)勢(shi)的波形(xing)圖(tu)如下圖(tu)。

另(ling)外(wai)還需要(yao)對反電動勢(shi)的一點(dian)說明就(jiu)是繞(rao)(rao)組(zu)(zu)的不同其相(xiang)電流也(ye)是呈現梯(ti)形和正弦(xian)波(bo)形，可想(xiang)而知正弦(xian)繞(rao)(rao)組(zu)(zu)由(you)于(yu)波(bo)形平(ping)滑所以運行起來相(xiang)對梯(ti)形繞(rao)(rao)組(zu)(zu)來說就(jiu)更(geng)平(ping)穩(wen)一些。但是，正弦(xian)型繞(rao)(rao)組(zu)(zu)由(you)于(yu)有更(geng)多(duo)繞(rao)(rao)組(zu)(zu)使得其在銅線的使用上就(jiu)相(xiang)對梯(ti)形繞(rao)(rao)組(zu)(zu)要(yao)多(duo)。

平時由于(yu)應用(yong)(yong)(yong)電壓的(de)不(bu)同(tong)，我們可(ke)以(yi)(yi)根據需要選(xuan)擇不(bu)同(tong)電壓范圍的(de)無(wu)刷電機(ji)(ji)。48V及其以(yi)(yi)下應用(yong)(yong)(yong)電壓的(de)電機(ji)(ji)可(ke)以(yi)(yi)用(yong)(yong)(yong)在汽車、機(ji)(ji)器(qi)人、小型機(ji)(ji)械(xie)臂等方面。100V及其以(yi)(yi)上電壓范圍的(de)電機(ji)(ji)可(ke)以(yi)(yi)用(yong)(yong)(yong)在專用(yong)(yong)(yong)器(qi)具、自(zi)動(dong)控制(zhi)以(yi)(yi)及工業生產領域。

（2）轉子

定子(zi)(zi)(zi)是(shi)2至8對永磁體按照N極和S極交替(ti)排列在轉(zhuan)子(zi)(zi)(zi)周圍構成的（內轉(zhuan)子(zi)(zi)(zi)型），如(ru)(ru)果是(shi)外轉(zhuan)子(zi)(zi)(zi)型BLDC那么就是(shi)貼在轉(zhuan)子(zi)(zi)(zi)內壁咯。如(ru)(ru)圖2.2.1所示；

圖2.2.1 轉(zhuan)子磁極排布

（3）霍爾傳感器

與(yu)有刷直(zhi)流電(dian)(dian)(dian)機不同(tong)，無刷直(zhi)流電(dian)(dian)(dian)機使(shi)(shi)用電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)方式換向(xiang)。要(yao)使(shi)(shi)BLDC轉(zhuan)(zhuan)起來(lai)，必須要(yao)按照一(yi)定(ding)(ding)的(de)(de)(de)順序給定(ding)(ding)子(zi)(zi)通電(dian)(dian)(dian)，那么我們就需要(yao)知(zhi)道轉(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)位置以便按照通電(dian)(dian)(dian)次序給相應的(de)(de)(de)定(ding)(ding)子(zi)(zi)線圈(quan)通電(dian)(dian)(dian)。定(ding)(ding)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)位置是由(you)嵌入到(dao)定(ding)(ding)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)霍爾(er)傳感(gan)器感(gan)知(zhi)的(de)(de)(de)。通常(chang)會(hui)安(an)排(pai)3個(ge)霍爾(er)傳感(gan)器在轉(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)路(lu)徑周圍。無論何時，只要(yao)轉(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)磁極掠過霍爾(er)元件(jian)時，根據轉(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)當前磁極的(de)(de)(de)極性霍爾(er)元件(jian)會(hui)輸出對應的(de)(de)(de)高或低電(dian)(dian)(dian)平(ping)，這樣只要(yao)根據3個(ge)霍爾(er)元件(jian)產生的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)平(ping)的(de)(de)(de)時序就可(ke)以判斷(duan)當前轉(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)位置，并相應的(de)(de)(de)對定(ding)(ding)子(zi)(zi)繞(rao)組進行(xing)通電(dian)(dian)(dian)。

霍(huo)爾效應(ying)：當通電(dian)導(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)處于(yu)磁(ci)場中(zhong)，由于(yu)磁(ci)場的作用力使得導(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)內(nei)的電(dian)荷會向(xiang)導(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)的一(yi)側(ce)聚集(ji)，當薄平板(ban)通電(dian)導(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)處于(yu)磁(ci)場中(zhong)時這(zhe)(zhe)種效應(ying)更為明顯，這(zhe)(zhe)樣(yang)一(yi)側(ce)聚集(ji)了電(dian)荷的導(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)會抵(di)消磁(ci)場的這(zhe)(zhe)種影(ying)響，由于(yu)電(dian)荷在(zai)導(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)一(yi)側(ce)的聚集(ji)，從而使得導(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)兩側(ce)產(chan)生(sheng)電(dian)壓，這(zhe)(zhe)種現象就稱(cheng)為霍(huo)爾效應(ying)，E.H霍(huo)爾在(zai)1879年發現了這(zhe)(zhe)一(yi)現象，故以此命名。

圖(tu)2.3.1 霍爾傳感器測量原理(li)

圖 2.3.1顯示了(le)(le)NS磁(ci)(ci)極交替排列的(de)(de)(de)(de)(de)轉(zhuan)子(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)橫截(jie)面。霍(huo)(huo)(huo)爾(er)元(yuan)(yuan)(yuan)件(jian)(jian)安(an)放(fang)在(zai)電(dian)(dian)機(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)固定位(wei)置，將霍(huo)(huo)(huo)爾(er)元(yuan)(yuan)(yuan)件(jian)(jian)安(an)放(fang)到(dao)電(dian)(dian)機(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)定子(zi)是(shi)比(bi)較復雜的(de)(de)(de)(de)(de)，因為如果安(an)放(fang)時(shi)位(wei)置沒有和轉(zhuan)子(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)場相切(qie)那么就可能(neng)導致霍(huo)(huo)(huo)爾(er)元(yuan)(yuan)(yuan)件(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)測量值不能(neng)準確的(de)(de)(de)(de)(de)反應轉(zhuan)子(zi)當前的(de)(de)(de)(de)(de)位(wei)置，鑒于以上原因，為了(le)(le)簡化霍(huo)(huo)(huo)爾(er)元(yuan)(yuan)(yuan)件(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)安(an)裝，通常在(zai)電(dian)(dian)機(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)轉(zhuan)子(zi)上安(an)裝一(yi)顆冗余的(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)體，這(zhe)個磁(ci)(ci)體專門用(yong)來感應霍(huo)(huo)(huo)爾(er)元(yuan)(yuan)(yuan)件(jian)(jian)，這(zhe)樣就能(neng)起到(dao)和轉(zhuan)子(zi)磁(ci)(ci)體感應的(de)(de)(de)(de)(de)相同效(xiao)果，霍(huo)(huo)(huo)爾(er)元(yuan)(yuan)(yuan)件(jian)(jian)一(yi)般(ban)按照圓周(zhou)安(an)放(fang)在(zai)印刷電(dian)(dian)路板上并配備(bei)了(le)(le)調(diao)節蓋，這(zhe)樣用(yong)戶就可以根據(ju)磁(ci)(ci)場的(de)(de)(de)(de)(de)方向(xiang)非常方便(bian)的(de)(de)(de)(de)(de)調(diao)節霍(huo)(huo)(huo)爾(er)元(yuan)(yuan)(yuan)件(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)位(wei)置以便(bian)使(shi)它工作在(zai)最佳狀態。

霍(huo)爾元件位置的(de)安排上，有(you)60°夾角和120°夾角兩種。基于(yu)這種擺放(fang)形(xing)式，BLDC的(de)電流換向(xiang)順(shun)序(xu)由制(zhi)造廠商制(zhi)定，當(dang)我們控(kong)制(zhi)電機的(de)時候就需要用到(dao)這種換向(xiang)順(shun)序(xu)。

注(zhu)意：霍(huo)爾元件的電壓(ya)范圍(wei)從(cong)4V到(dao)(dao)24V不等，電流范圍(wei)從(cong)5mA到(dao)(dao)15mA不等，所(suo)以在考慮(lv)控制器(qi)時(shi)(shi)要(yao)考慮(lv)到(dao)(dao)霍(huo)爾元件的電流和(he)電壓(ya)要(yao)求(qiu)。另(ling)外(wai)，霍(huo)爾元件輸(shu)出集電極開(kai)路，使用時(shi)(shi)需要(yao)接上(shang)拉電阻。

（4）操作原理

每一(yi)次換(huan)向(xiang)都會(hui)有一(yi)組繞組處于(yu)正向(xiang)通電(dian)(dian)；第二組反相通電(dian)(dian)；第三組不(bu)通電(dian)(dian)。轉(zhuan)(zhuan)子永磁(ci)(ci)體(ti)的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)場和(he)定(ding)子鋼(gang)片產生的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)場相互作用就產生了轉(zhuan)(zhuan)矩，理論上，當(dang)這兩個磁(ci)(ci)場夾角為(wei)90°時會(hui)產生最(zui)大的(de)(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)矩，當(dang)這兩個磁(ci)(ci)場重合時轉(zhuan)(zhuan)矩變為(wei)0，為(wei)了使轉(zhuan)(zhuan)子不(bu)停的(de)(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)動，那么就需要按順(shun)(shun)序(xu)(xu)改變定(ding)子的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)場，就像(xiang)轉(zhuan)(zhuan)子的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)場一(yi)直在(zai)追趕定(ding)子的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)場一(yi)樣。典型的(de)(de)(de)“六(liu)步電(dian)(dian)流(liu)換(huan)向(xiang)”順(shun)(shun)序(xu)(xu)圖展示(shi)了定(ding)子內繞組的(de)(de)(de)通電(dian)(dian)次序(xu)(xu)。

（5）轉矩/轉速特性

圖 2.5.1 轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)矩(ju)(ju)(ju)(ju)和速(su)度(du)特性顯(xian)示了(le)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)矩(ju)(ju)(ju)(ju)和轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)特性。BLDC一共(gong)有兩(liang)種轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)矩(ju)(ju)(ju)(ju)度(du)量：最(zui)大轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)矩(ju)(ju)(ju)(ju)和額定轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)矩(ju)(ju)(ju)(ju)。當電(dian)機(ji)連續運轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)的(de)(de)時候表現出(chu)來的(de)(de)就是(shi)額定轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)矩(ju)(ju)(ju)(ju)。在無(wu)刷電(dian)機(ji)達(da)到(dao)(dao)額定轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)之前，轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)矩(ju)(ju)(ju)(ju)不變(bian)，無(wu)刷電(dian)機(ji)最(zui)高轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)可以達(da)到(dao)(dao)額定轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)的(de)(de)150%，但是(shi)超(chao)速(su)時電(dian)機(ji)的(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)矩(ju)(ju)(ju)(ju)會相(xiang)應下降。

在實際(ji)的(de)應用中，我們(men)常常會讓帶負(fu)載的(de)電(dian)(dian)機(ji)啟動(dong)(dong)、停(ting)轉(zhuan)和(he)逆向運行，此時(shi)就需要(yao)比(bi)額定轉(zhuan)矩(ju)(ju)更(geng)(geng)大(da)的(de)轉(zhuan)矩(ju)(ju)。特別是(shi)當轉(zhuan)子靜止(zhi)和(he)反方向加速時(shi)啟動(dong)(dong)電(dian)(dian)機(ji)，這(zhe)個(ge)時(shi)候(hou)就需要(yao)更(geng)(geng)大(da)的(de)轉(zhuan)矩(ju)(ju)來抵消(xiao)負(fu)載和(he)轉(zhuan)子自身(shen)的(de)慣性(xing)，這(zhe)個(ge)時(shi)候(hou)就需要(yao)提(ti)供最大(da)的(de)轉(zhuan)矩(ju)(ju)一直到(dao)電(dian)(dian)機(ji)進入正向轉(zhuan)矩(ju)(ju)曲(qu)線階段(duan)。

3、換向時序

圖2.6.1顯(xian)示了霍(huo)爾元(yuan)件(jian)的輸出(chu)、反電(dian)動勢(shi)和相電(dian)流的關系(xi)。圖2.6.2顯(xian)示了根據霍(huo)爾元(yuan)件(jian)輸出(chu)的波形應該繞組通電(dian)的時序。

圖2.6.1中(zhong)的通(tong)電序號對應的就(jiu)(jiu)是圖2.6.2中(zhong)的序號，每隔(ge)60°夾(jia)角其(qi)中(zhong)一(yi)個(ge)霍爾元件就(jiu)(jiu)會改(gai)變一(yi)次(ci)其(qi)輸出(chu)特性(xing)，那(nei)(nei)么一(yi)圈(quan)（通(tong)電周(zhou)(zhou)(zhou)期(qi)）下(xia)來就(jiu)(jiu)會有(you)6次(ci)變化，同時相(xiang)電流(liu)也會每60°改(gai)變一(yi)次(ci)。但是，每完成一(yi)個(ge)通(tong)電周(zhou)(zhou)(zhou)期(qi)并不會使轉(zhuan)(zhuan)子(zi)轉(zhuan)(zhuan)動一(yi)周(zhou)(zhou)(zhou),轉(zhuan)(zhuan)子(zi)轉(zhuan)(zhuan)動一(yi)周(zhou)(zhou)(zhou)需(xu)要的通(tong)電周(zhou)(zhou)(zhou)期(qi)數目和轉(zhuan)(zhuan)子(zi)上的磁極(ji)的對數相(xiang)關，轉(zhuan)(zhuan)子(zi)有(you)多少對磁極(ji)那(nei)(nei)么就(jiu)(jiu)需(xu)要多少個(ge)通(tong)電周(zhou)(zhou)(zhou)期(qi)。

圖2.6.3是關(guan)于使(shi)用MCU控制無刷電機的(de)原理圖，其中微控制器PIC18FXX31控制Q0-Q5組成的(de)驅動電路(lu)按照一定的(de)時序為BLDC通(tong)電，根據(ju)電機電壓和(he)電流的(de)不同可以選(xuan)擇不同的(de)驅動電路(lu)，如MOSFET、IGBT或者直接(jie)使(shi)用雙(shuang)極性三極管。

表2.6.1和表2.6.2表示的(de)是基于霍爾輸入時(shi)在A、B、C繞組上的(de)通(tong)電時(shi)序(xu)。表2.6.1是轉(zhuan)(zhuan)子順時(shi)針(zhen)轉(zhuan)(zhuan)動(dong)的(de)時(shi)序(xu)，表2.6.2是轉(zhuan)(zhuan)子逆時(shi)針(zhen)轉(zhuan)(zhuan)動(dong)的(de)時(shi)序(xu)。上面兩個(ge)表格(ge)(ge)顯示的(de)是當霍爾元(yuan)件呈60°排(pai)列時(shi)的(de)驅動(dong)波形(xing)，前(qian)面也提到霍爾元(yuan)件還可以(yi)呈120°的(de)夾(jia)角排(pai)列，那么這(zhe)個(ge)時(shi)候就需(xu)要(yao)相應的(de)驅動(dong)波形(xing)，這(zhe)些(xie)波形(xing)都可以(yi)在電機生產商(shang)的(de)資料里找到，應用時(shi)需(xu)要(yao)嚴格(ge)(ge)遵守通(tong)電時(shi)序(xu)。

假設驅(qu)(qu)動(dong)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)和電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)運(yun)行(xing)時(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)相等(deng)（包括驅(qu)(qu)動(dong)電(dian)(dian)(dian)(dian)路本身(shen)的(de)(de)(de)(de)(de)損耗），當(dang)PWMx按(an)照給定(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)時(shi)(shi)序開和關時(shi)(shi)無(wu)刷電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)將(jiang)會以額定(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)轉速旋轉。為了(le)調速，我(wo)們使(shi)用遠(yuan)高于(yu)電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)運(yun)轉頻率的(de)(de)(de)(de)(de)PWM波(bo)驅(qu)(qu)動(dong)電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)，通(tong)常我(wo)們需要至少10倍于(yu)電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)最高頻率的(de)(de)(de)(de)(de)PWM驅(qu)(qu)動(dong)波(bo)形。當(dang)PWM驅(qu)(qu)動(dong)波(bo)形的(de)(de)(de)(de)(de)占(zhan)空(kong)比(bi)變化時(shi)(shi)，使(shi)得其在定(ding)(ding)子上的(de)(de)(de)(de)(de)有效電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)變化，這就實現了(le)無(wu)刷電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)調速，另外，當(dang)驅(qu)(qu)動(dong)電(dian)(dian)(dian)(dian)源電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)高于(yu)電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)本身(shen)的(de)(de)(de)(de)(de)額定(ding)(ding)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)時(shi)(shi)，我(wo)們可(ke)(ke)以調節PWM的(de)(de)(de)(de)(de)占(zhan)空(kong)比(bi)來(lai)使(shi)得驅(qu)(qu)動(dong)電(dian)(dian)(dian)(dian)源電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)適(shi)合(he)電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)額定(ding)(ding)驅(qu)(qu)動(dong)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)。可(ke)(ke)想(xiang)而知，我(wo)們可(ke)(ke)以使(shi)用同一個(ge)控(kong)制器去掛接不同額定(ding)(ding)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)，此時(shi)(shi)只需要用控(kong)制器改(gai)變一下(xia)PWM的(de)(de)(de)(de)(de)占(zhan)空(kong)比(bi)就行(xing)了(le)。 另外還有一種控(kong)制方(fang)式：當(dang)微控(kong)制器的(de)(de)(de)(de)(de)PWM輸(shu)出不夠用時(shi)(shi)，可(ke)(ke)以在整個(ge)通(tong)電(dian)(dian)(dian)(dian)時(shi)(shi)序內(nei)將(jiang)上臂(bei)一直(zhi)導通(tong)（即上臂(bei)不使(shi)用PWM）而下(xia)臂(bei)使(shi)用PWM驅(qu)(qu)動(dong)。

圖 2.6.3中連接數字(zi)和模擬轉換通道的分壓(ya)電路(lu)提供了一定速度的參考電壓(ya)，有了這個(ge)電壓(ya)，我們就(jiu)可以計(ji)算(suan)PWM波形的有效值。

（1）閉環控制

我(wo)們(men)可以通過(guo)(guo)閉環(huan)測量當前電(dian)機(ji)的(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)速(su)而(er)達到控制電(dian)機(ji)的(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)速(su)的(de)(de)目的(de)(de)，我(wo)們(men)通過(guo)(guo)計算(suan)期望轉(zhuan)(zhuan)速(su)和實際轉(zhuan)(zhuan)速(su)的(de)(de)誤差，然(ran)后使用PID算(suan)法(fa)去調節PWM的(de)(de)占空比以達到控制電(dian)機(ji)轉(zhuan)(zhuan)速(su)的(de)(de)目的(de)(de)。

對于(yu)低(di)成本(ben)，低(di)轉(zhuan)速(su)的應用(yong)場合，可以(yi)使(shi)用(yong)霍(huo)爾傳感(gan)器(qi)(qi)獲得(de)轉(zhuan)速(su)反饋。利用(yong)PIC18FXX31微(wei)控制(zhi)器(qi)(qi)本(ben)身(shen)的一個(ge)定時器(qi)(qi)去(qu)測量兩個(ge)霍(huo)爾元件(jian)輸(shu)出信號，然后根據這個(ge)信號得(de)出實際的轉(zhuan)速(su)。

在高(gao)轉速應用場(chang)合，我們可(ke)以(yi)在電(dian)機上(shang)裝上(shang)光電(dian)編碼(ma)(ma)器(qi)，可(ke)以(yi)利用其輸出相差90°的(de)(de)信號進行轉速和轉向的(de)(de)測量。通(tong)常(chang)，光電(dian)編碼(ma)(ma)器(qi)還可(ke)以(yi)輸出PPR信號，使得可(ke)以(yi)進行較(jiao)精確(que)的(de)(de)轉子定位，編碼(ma)(ma)器(qi)的(de)(de)編碼(ma)(ma)刻(ke)度可(ke)以(yi)上(shang)百甚至上(shang)千(qian)，編碼(ma)(ma)刻(ke)度越多，精度越高(gao)。

4、反電動勢（BACK EMF）

根據楞次定律，當(dang)BLDC轉(zhuan)動(dong)時其繞組(zu)會產(chan)生與繞組(zu)兩端(duan)電(dian)壓(ya)相反(fan)方向的反(fan)向電(dian)壓(ya)，這就是(shi)反(fan)電(dian)動(dong)勢（BACK EMF）。記(ji)住，反(fan)電(dian)動(dong)勢和繞組(zu)所(suo)加電(dian)壓(ya)是(shi)反(fan)向的。決定反(fan)電(dian)動(dong)勢的主要因素(su)有以下幾點：

· 轉子的角速度；

· 轉(zhuan)子永磁體(ti)的(de)磁場(chang)強度；

· 每(mei)個定(ding)子繞組纏繞的線圈數(shu)量。

計算反電動勢的公式(shi)： Back EMF = (E) ∝ NlBw 其中(zhong)：

· N為每(mei)相繞組的線圈數量

· L轉子的長(chang)度

· B為轉子的磁通密(mi)度

· W為轉子的角速度(du)

當(dang)電(dian)(dian)機一(yi)旦做好，那么其繞組的線圈數(shu)量(liang)(liang)和(he)永(yong)磁(ci)體的磁(ci)通密度(du)就定(ding)了，由(you)公式可知(zhi)，唯一(yi)決定(ding)反電(dian)(dian)動(dong)(dong)勢(shi)(shi)的量(liang)(liang)就是(shi)轉子的角速度(du)（也可以換算為線速度(du)）且角速度(du)和(he)反電(dian)(dian)動(dong)(dong)勢(shi)(shi)成(cheng)正比。廠(chang)家一(yi)般會提(ti)供電(dian)(dian)機的反電(dian)(dian)動(dong)(dong)勢(shi)(shi)常量(liang)(liang)，通過它我們可以用來(lai)估計某一(yi)轉速下反電(dian)(dian)動(dong)(dong)勢(shi)(shi)的大小(xiao)。

繞組上(shang)的電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)等于(yu)供(gong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)減去反(fan)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)動勢，廠(chang)家在設計電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)的時候(hou)會(hui)(hui)選取適當(dang)的反(fan)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)動勢常量(liang)以(yi)便電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)工作時有足夠的電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)差可(ke)以(yi)使電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)達到(dao)額定轉速(su)并(bing)具(ju)有足夠的轉矩(ju)。當(dang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)超(chao)過額定轉速(su)工作時，反(fan)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)動勢會(hui)(hui)持續(xu)上(shang)升(sheng)，這時加在電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)繞組間的有效電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)會(hui)(hui)下(xia)降，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流會(hui)(hui)減少，扭(niu)(niu)矩(ju)會(hui)(hui)下(xia)降，當(dang)反(fan)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)動勢和供(gong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)相等的時候(hou)，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流降為0，扭(niu)(niu)矩(ju)為0，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)達到(dao)極限轉速(su)

5、無傳感器BLDC控制

目前為(wei)止，我(wo)們所討論(lun)的都是基于霍爾元件獲取電(dian)機轉(zhuan)子(zi)位置(zhi)的換(huan)向器控(kong)制方式，其實可以直接(jie)通過測量電(dian)機反電(dian)動(dong)勢而知道轉(zhuan)子(zi)的位置(zhi)，在 圖(tu) 2.6.1中(zhong)已經可以比較(jiao)清晰(xi)的看(kan)出(chu)反電(dian)動(dong)勢和霍爾元件輸出(chu)信號(hao)之間(jian)的關系。

通(tong)過前些章(zhang)節的(de)(de)討論，我們可以看出在任(ren)何時(shi)(shi)候(hou)，電(dian)(dian)機的(de)(de)繞組都是有一相為正向(xiang)通(tong)電(dian)(dian)、一相為反(fan)(fan)向(xiang)通(tong)電(dian)(dian)和另外(wai)一相為不通(tong)電(dian)(dian)。當某相反(fan)(fan)電(dian)(dian)動(dong)勢反(fan)(fan)向(xiang)的(de)(de)時(shi)(shi)候(hou)霍爾傳(chuan)感器的(de)(de)輸出也跟著變化。理想(xiang)狀態下，霍爾元件的(de)(de)輸出會在相反(fan)(fan)電(dian)(dian)動(dong)勢過零的(de)(de)時(shi)(shi)候(hou)發生改變，實際(ji)應(ying)用時(shi)(shi)會有一段(duan)小的(de)(de)延(yan)遲(chi)，這(zhe)種延(yan)遲(chi)可以通(tong)過微控(kong)制器補(bu)償。

圖 3.1.1為(wei)利用反電動勢(shi)過(guo)零檢測的(de)方式(shi)來控制BLDC。

還有一方面需要(yao)考慮：當電(dian)機(ji)轉速比較(jiao)低的(de)(de)(de)時候(hou)(hou)，反(fan)電(dian)動(dong)勢會(hui)比較(jiao)小，以(yi)致過零(ling)檢測(ce)電(dian)路無(wu)法正(zheng)常檢測(ce)，這(zhe)個(ge)(ge)時候(hou)(hou)在(zai)(zai)電(dian)機(ji)啟(qi)動(dong)階(jie)段(duan)就需要(yao)使用開環控(kong)制(zhi)，當電(dian)機(ji)啟(qi)動(dong)到(dao)產生可(ke)以(yi)過零(ling)檢測(ce)的(de)(de)(de)反(fan)電(dian)動(dong)勢轉速時，系統就需要(yao)切換到(dao)過零(ling)檢測(ce)控(kong)制(zhi)模(mo)式，進行閉環控(kong)制(zhi)。最低的(de)(de)(de)過零(ling)檢測(ce)轉速可(ke)以(yi)根(gen)據電(dian)機(ji)的(de)(de)(de)反(fan)電(dian)動(dong)勢常量計算出來(lai)。根(gen)據這(zhe)個(ge)(ge)原(yuan)理(li)，可(ke)以(yi)去(qu)除霍爾(er)元(yuan)件(jian)(jian)以(yi)及(ji)因其安裝(zhuang)的(de)(de)(de)輔助(zhu)磁體，這(zhe)樣就可(ke)以(yi)簡化制(zhi)造節約成本。另外(wai)，除去(qu)了霍爾(er)元(yuan)件(jian)(jian)的(de)(de)(de)電(dian)機(ji)可(ke)以(yi)安裝(zhuang)在(zai)(zai)一些粉(fen)塵和油污比較(jiao)大的(de)(de)(de)地(di)方而無(wu)須為(wei)保證霍爾(er)的(de)(de)(de)正(zheng)常工作而定(ding)時進行清理(li)，與(yu)此同(tong)時，這(zhe)種免維(wei)護電(dian)機(ji)還可(ke)以(yi)安裝(zhuang)在(zai)(zai)人很難觸及(ji)的(de)(de)(de)地(di)方。

6、選擇合適的BLDC

為實際應用選(xuan)擇合(he)適的(de)(de)(de)電機(ji)是至關重要的(de)(de)(de)。根據電機(ji)的(de)(de)(de)負載特(te)性(xing)，需要確定(ding)合(he)適的(de)(de)(de)電機(ji)參(can)數。其(qi)主(zhu)要參(can)數有以下幾點：

·應用是的(de)最(zui)大扭(niu)矩(ju)要求(qiu)；

·平方根(gen)(RMS)扭矩需求；

·轉速要求。

（1）最大扭矩

最(zui)大(da)的扭矩(ju)(ju)可以通過將負載扭矩(ju)(ju)、轉動慣量和摩(mo)擦力相加(jia)得(de)到。另外(wai)，還有(you)(you)一(yi)些額外(wai)的因素影響最(zui)大(da)需求扭矩(ju)(ju)如：氣隙空氣的阻(zu)力等，這就需要至少20%的扭矩(ju)(ju)余量，綜上(shang)所述，有(you)(you)以下等式：

TP = (TL + TJ + TF) * 1.2

TJ為(wei)電機啟動(dong)或加速過程需要(yao)克服的轉(zhuan)動(dong)力(li)矩(ju)，其(qi)(qi)主(zhu)要(yao)包(bao)括(kuo)電機轉(zhuan)子的轉(zhuan)動(dong)力(li)矩(ju)和負(fu)載(zai)的轉(zhuan)動(dong)力(li)矩(ju)，其(qi)(qi)表示為(wei)：

TJ = JL + M * α

上式(shi)中α為(wei)加速度，JL+M為(wei)定子和負載(zai)的(de)轉動力矩。 電機的(de)機械軸決定電機的(de)負載(zai)力矩和摩擦力。

（2）平方根扭矩

可以近似的認為(wei)平方根扭(niu)矩(ju)(ju)為(wei)實際應(ying)用中需要的持(chi)續輸出扭(niu)矩(ju)(ju)。它由很多(duo)因素決定：最大扭(niu)矩(ju)(ju)、負載扭(niu)矩(ju)(ju)、轉動慣(guan)量、加(jia)(jia)速、減速以及運行時間(jian)。下面的等式表示(shi)了平方根扭(niu)矩(ju)(ju)的計算(suan)，其中TA為(wei)加(jia)(jia)速時間(jian)、TD為(wei)減速時間(jian)和(he)TR為(wei)運行時間(jian)。

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

（3）轉速

這是有(you)應用需求的轉速。比如，吹風機的轉速需求是，最高轉速和(he)(he)平均轉速相(xiang)差不大(da)，顯然在一些點(dian)(dian)對(dui)點(dian)(dian)定(ding)(ding)位系(xi)統(tong)如傳送帶和(he)(he)機械臂系(xi)統(tong)中(zhong)就需要大(da)轉速范(fan)圍(wei)的電(dian)(dian)機，可以(yi)根(gen)據(ju)電(dian)(dian)機的轉速梯(ti)形(xing)曲線(xian)（）確定(ding)(ding)電(dian)(dian)機的轉速需求。通常，由于其他因素，在計(ji)算電(dian)(dian)機轉速需求的時候需要留(liu)有(you)10%余量。

7、BLDC典型應用

BLDC的(de)應用十分廣泛，如汽車、工具(ju)、工業工控、自動(dong)化以(yi)及航空航天等(deng)等(deng)。總的(de)來說，BLDC可以(yi)分為以(yi)下(xia)三種主要用途(tu)：

·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(yong)(yong)主要(yao)用(yong)(yong)于那(nei)些需要(yao)一定轉(zhuan)速但(dan)是對轉(zhuan)速精度要(yao)求不(bu)高的領域，比如(ru)風(feng)(feng)扇、抽水(shui)機、吹風(feng)(feng)氣等一類(lei)(lei)的應用(yong)(yong)。通(tong)常這類(lei)(lei)應用(yong)(yong)成(cheng)本比較(jiao)低且(qie)多(duo)是開環控制。

（2）可變負載應用

這(zhe)(zhe)類主(zhu)要(yao)(yao)指的(de)(de)(de)是電(dian)機(ji)轉(zhuan)速需要(yao)(yao)在某個(ge)范(fan)圍內變化的(de)(de)(de)應用(yong)，在這(zhe)(zhe)類應用(yong)中(zhong)主(zhu)要(yao)(yao)對電(dian)機(ji)的(de)(de)(de)高轉(zhuan)速特性和(he)動態響(xiang)應特性有更(geng)高的(de)(de)(de)要(yao)(yao)求。家用(yong)器具中(zhong)的(de)(de)(de)洗衣機(ji)、甩干(gan)機(ji)和(he)壓(ya)縮機(ji)就是很好的(de)(de)(de)例(li)子。在汽車(che)工業領(ling)域(yu)，油泵控制(zhi)、電(dian)控制(zhi)器、發動機(ji)控制(zhi)和(he)電(dian)子工具等(deng)也(ye)是很好的(de)(de)(de)例(li)子。在航(hang)空(kong)領(ling)域(yu)也(ye)有很多的(de)(de)(de)應用(yong)，比如離心機(ji)、泵、機(ji)械臂、陀螺儀等(deng)等(deng)。這(zhe)(zhe)個(ge)領(ling)域(yu)中(zhong)多使用(yong)電(dian)機(ji)反饋器件(jian)組成半開環(huan)和(he)閉(bi)環(huan)進行控制(zhi)。這(zhe)(zhe)就需要(yao)(yao)復雜的(de)(de)(de)控制(zhi)算(suan)法，增加(jia)了控制(zhi)器的(de)(de)(de)復雜程度也(ye)增加(jia)了系(xi)統成本。

（3）定位應用

大多數(shu)的(de)(de)工業控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)和自動控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)方面的(de)(de)應(ying)(ying)用(yong)(yong)屬于這(zhe)(zhe)個類別。在這(zhe)(zhe)些(xie)應(ying)(ying)用(yong)(yong)中(zhong)往(wang)往(wang)會完成能(neng)(neng)(neng)量的(de)(de)輸(shu)送，如齒輪或者(zhe)傳送帶，因此系(xi)統對(dui)(dui)電(dian)機(ji)的(de)(de)轉(zhuan)速(su)的(de)(de)動態響應(ying)(ying)和轉(zhuan)矩有(you)(you)(you)特(te)別的(de)(de)要求，同時(shi)這(zhe)(zhe)些(xie)應(ying)(ying)用(yong)(yong)也可(ke)(ke)能(neng)(neng)(neng)需(xu)要隨時(shi)的(de)(de)改變(bian)電(dian)機(ji)的(de)(de)轉(zhuan)向(xiang)，電(dian)機(ji)可(ke)(ke)能(neng)(neng)(neng)工作在勻速(su)，加速(su)，減少(shao)階段，而且有(you)(you)(you)可(ke)(ke)能(neng)(neng)(neng)在這(zhe)(zhe)些(xie)階段中(zhong)負載也在變(bian)化，所以這(zhe)(zhe)對(dui)(dui)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)提出(chu)了更高(gao)的(de)(de)要求，通常這(zhe)(zhe)種控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)使用(yong)(yong)閉環控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)，甚至(zhi)會有(you)(you)(you)扭矩環、速(su)度環和位置(zhi)環三個控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)環。測(ce)速(su)時(shi)可(ke)(ke)能(neng)(neng)(neng)會用(yong)(yong)上光電(dian)編(bian)碼器(qi)和一些(xie)同步設備。有(you)(you)(you)時(shi)候(hou)這(zhe)(zhe)些(xie)傳感器(qi)會被用(yong)(yong)于測(ce)量相對(dui)(dui)位置(zhi)，也有(you)(you)(you)時(shi)候(hou)用(yong)(yong)于測(ce)量絕(jue)對(dui)(dui)位置(zhi)。過程控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)、機(ji)械控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)和運輸(shu)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)很多都(dou)屬于這(zhe)(zhe)類應(ying)(ying)用(yong)(yong)。

8、總結

總的(de)來說，無(wu)刷(shua)電機(ji)相對(dui)傳統的(de)有刷(shua)電機(ji)、感應(ying)電機(ji)而言，它擁有高的(de)轉速/扭矩(ju)比、好動態(tai)特(te)性(xing)(xing)、高效(xiao)率(lv)、長壽命、低噪聲、寬轉速范圍和(he)制(zhi)造(zao)容易(yi)等等優(you)良特(te)性(xing)(xing)。特(te)別(bie)是去單(dan)位體(ti)積的(de)功率(lv)輸(shu)出特(te)性(xing)(xing)使得(de)其(qi)可以用(yong)于對(dui)尺寸(cun)和(he)重量敏(min)感的(de)場合(he)。這些優(you)良的(de)特(te)性(xing)(xing)使得(de)BLDC在(zai)工業控(kong)制(zhi)領域、汽車工業、航空航天(tian)等等領域有著非常廣泛(fan)的(de)應(ying)用(yong)！