【直(zhi)流(liu)無(wu)刷(shua)電(dian)(dian)機】直(zhi)流(liu)無(wu)刷(shua)電(dian)(dian)機原理(li) 直(zhi)流(liu)無(wu)刷(shua)電(dian)(dian)機工作原理(li)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被廣泛的用于日常生活用具、汽車工業、航空、消費電(dian)子、醫學電(dian)子、工(gong)業自動(dong)化等裝置和儀表。

顧(gu)名思義(yi)，BLDC不使(shi)用機械結構的換向(xiang)電(dian)(dian)刷(shua)而(er)直接使(shi)用電(dian)(dian)子換向(xiang)器，在(zai)使(shi)用中BLDC相比(bi)有刷(shua)電(dian)(dian)機有許多的優(you)點，比(bi)如：

·能獲得更好的(de)扭矩轉速特性(xing)；

·高速動態(tai)響(xiang)應；

·高效率；

·長壽命；

·低噪聲；

·高轉速。

另外，BLDC更優的(de)扭矩和外形尺(chi)寸比(bi)使(shi)得它(ta)更適合用(yong)于(yu)對(dui)電機自(zi)身重量和大小比(bi)較敏感的(de)場合。 在(zai)這篇應(ying)用(yong)筆(bi)記中將會對(dui)BLDC的(de)結構(gou)、基本原理、特性和應(ying)用(yong)做(zuo)一(yi)系列的(de)探討。探討過程(cheng)中可能(neng)用(yong)到的(de)術語可以在(zai)附(fu)錄B“術語表”中找到相(xiang)應(ying)的(de)解釋(shi)。

2、BLDC結構和基本工作原理

BLDC屬于同步(bu)電機(ji)(ji)的(de)(de)一種，這(zhe)就意(yi)味著它的(de)(de)定子產生的(de)(de)磁場(chang)和(he)轉子產生的(de)(de)磁場(chang)是(shi)同頻率的(de)(de)，所以BLDC并不會(hui)產生普通感應(ying)電機(ji)(ji)的(de)(de)頻差現象。BLDC中又(you)有單相(xiang)、2相(xiang)和(he)3相(xiang)電機(ji)(ji)的(de)(de)區(qu)別，相(xiang)類(lei)型(xing)的(de)(de)不同決定其(qi)定子線(xian)圈繞組的(de)(de)多少。在這(zhe)里我們將(jiang)集中討論的(de)(de)是(shi)應(ying)用最為廣泛的(de)(de)3相(xiang)BLDC。

（1） 定子

BLDC定子是(shi)由許多硅鋼片經過(guo)疊壓和軸向沖壓而成，每個(ge)(ge)沖槽內都(dou)有一定的(de)(de)線(xian)圈(quan)組(zu)(zu)(zu)成了繞組(zu)(zu)(zu)，可以(yi)參見下圖。從(cong)傳統(tong)意義上(shang)講，BLDC的(de)(de)定子和感應電(dian)機的(de)(de)定子有點類似，不過(guo)在定子繞組(zu)(zu)(zu)的(de)(de)分布(bu)上(shang)有一定的(de)(de)差(cha)別(bie)。大多數的(de)(de)BLDC定子有3個(ge)(ge)呈星(xing)行排列的(de)(de)繞組(zu)(zu)(zu)，每個(ge)(ge)繞組(zu)(zu)(zu)又由許多內部結合的(de)(de)鋼片按照(zhao)一定的(de)(de)方式(shi)組(zu)(zu)(zu)成，偶數個(ge)(ge)繞組(zu)(zu)(zu)分布(bu)在定子的(de)(de)周圍組(zu)(zu)(zu)成了偶數個(ge)(ge)磁極。

圖2.1.1. BLDC內部(bu)結構(gou)

BLDC的(de)(de)定子繞(rao)(rao)組(zu)可以分為梯形(xing)(xing)和(he)(he)正弦(xian)兩(liang)種繞(rao)(rao)組(zu)，它們的(de)(de)根本區別(bie)在(zai)于由(you)于繞(rao)(rao)組(zu)的(de)(de)不(bu)同連接方式使它們產生的(de)(de)反電動(dong)勢（反電動(dong)勢的(de)(de)相關介紹請參加EMF一節）不(bu)同，分別(bie)呈現梯形(xing)(xing)和(he)(he)正弦(xian)波(bo)形(xing)(xing)，故用此命名了。梯形(xing)(xing)和(he)(he)正弦(xian)繞(rao)(rao)組(zu)產生的(de)(de)反電動(dong)勢的(de)(de)波(bo)形(xing)(xing)圖如下圖。

另外還需(xu)要對(dui)反電動勢的一點說明(ming)就(jiu)(jiu)是繞(rao)(rao)組的不同(tong)其(qi)相電流(liu)也是呈(cheng)現梯形(xing)和正弦(xian)(xian)波形(xing)，可想(xiang)而知正弦(xian)(xian)繞(rao)(rao)組由于波形(xing)平滑所以運(yun)行起來相對(dui)梯形(xing)繞(rao)(rao)組來說就(jiu)(jiu)更(geng)平穩一些。但是，正弦(xian)(xian)型(xing)繞(rao)(rao)組由于有更(geng)多繞(rao)(rao)組使得其(qi)在銅線的使用上就(jiu)(jiu)相對(dui)梯形(xing)繞(rao)(rao)組要多。

平時由于應用(yong)電(dian)壓(ya)(ya)的(de)不同，我們(men)可以(yi)根(gen)據需(xu)要選擇(ze)不同電(dian)壓(ya)(ya)范圍(wei)的(de)無刷電(dian)機。48V及(ji)其以(yi)下應用(yong)電(dian)壓(ya)(ya)的(de)電(dian)機可以(yi)用(yong)在汽車(che)、機器人、小型(xing)機械臂(bei)等方面(mian)。100V及(ji)其以(yi)上電(dian)壓(ya)(ya)范圍(wei)的(de)電(dian)機可以(yi)用(yong)在專用(yong)器具、自動控(kong)制以(yi)及(ji)工業(ye)生(sheng)產領域。

（2）轉子

定子(zi)(zi)是2至(zhi)8對(dui)永磁體(ti)按照(zhao)N極(ji)和S極(ji)交替(ti)排列在(zai)轉(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)周(zhou)圍構成的（內(nei)轉(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)型），如果(guo)是外轉(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)型BLDC那(nei)么就是貼(tie)在(zai)轉(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)內(nei)壁咯。如圖2.2.1所示；

圖2.2.1 轉子磁極排布(bu)

（3）霍爾傳感器

與(yu)有(you)刷直流電機(ji)不同，無刷直流電機(ji)使(shi)用電子(zi)方式換向。要使(shi)BLDC轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)起來，必須要按照一定(ding)的(de)(de)順序給定(ding)子(zi)通電，那(nei)么我們就需要知道(dao)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)的(de)(de)位(wei)置(zhi)以(yi)便按照通電次序給相應(ying)的(de)(de)定(ding)子(zi)線(xian)圈通電。定(ding)子(zi)的(de)(de)位(wei)置(zhi)是(shi)由嵌入(ru)到定(ding)子(zi)的(de)(de)霍(huo)(huo)(huo)爾(er)傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)感(gan)(gan)知的(de)(de)。通常(chang)會(hui)安排(pai)3個(ge)霍(huo)(huo)(huo)爾(er)傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)在轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)的(de)(de)旋轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)路徑周圍。無論何時，只(zhi)要轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)的(de)(de)磁(ci)(ci)極(ji)掠過霍(huo)(huo)(huo)爾(er)元(yuan)件(jian)(jian)時，根據(ju)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)當前磁(ci)(ci)極(ji)的(de)(de)極(ji)性霍(huo)(huo)(huo)爾(er)元(yuan)件(jian)(jian)會(hui)輸(shu)出(chu)對應(ying)的(de)(de)高或(huo)低電平，這樣只(zhi)要根據(ju)3個(ge)霍(huo)(huo)(huo)爾(er)元(yuan)件(jian)(jian)產生的(de)(de)電平的(de)(de)時序就可以(yi)判斷當前轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)的(de)(de)位(wei)置(zhi)，并相應(ying)的(de)(de)對定(ding)子(zi)繞組(zu)進行通電。

霍爾(er)(er)效(xiao)應：當通電導(dao)體處于磁場(chang)中，由于磁場(chang)的(de)作(zuo)用(yong)力使得導(dao)體內的(de)電荷(he)會(hui)向導(dao)體的(de)一側(ce)聚(ju)集，當薄平板通電導(dao)體處于磁場(chang)中時(shi)這(zhe)種效(xiao)應更為(wei)明顯，這(zhe)樣(yang)一側(ce)聚(ju)集了電荷(he)的(de)導(dao)體會(hui)抵消磁場(chang)的(de)這(zhe)種影響，由于電荷(he)在(zai)(zai)導(dao)體一側(ce)的(de)聚(ju)集，從(cong)而使得導(dao)體兩側(ce)產(chan)生電壓，這(zhe)種現象就稱為(wei)霍爾(er)(er)效(xiao)應，E.H霍爾(er)(er)在(zai)(zai)1879年發現了這(zhe)一現象，故以此命名。

圖2.3.1 霍(huo)爾傳(chuan)感器測量(liang)原理

圖 2.3.1顯示(shi)了NS磁(ci)極交替(ti)排列的(de)(de)(de)(de)(de)(de)轉(zhuan)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)橫截(jie)面(mian)。霍爾(er)元(yuan)件安放(fang)(fang)在(zai)電機的(de)(de)(de)(de)(de)(de)固(gu)定位(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)，將霍爾(er)元(yuan)件安放(fang)(fang)到電機的(de)(de)(de)(de)(de)(de)定子(zi)(zi)是比較復雜的(de)(de)(de)(de)(de)(de)，因為(wei)如果(guo)(guo)安放(fang)(fang)時位(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)沒有和轉(zhuan)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)場相切那(nei)么就可能導致霍爾(er)元(yuan)件的(de)(de)(de)(de)(de)(de)測量值(zhi)不(bu)能準確的(de)(de)(de)(de)(de)(de)反應轉(zhuan)子(zi)(zi)當前的(de)(de)(de)(de)(de)(de)位(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)，鑒于(yu)以(yi)上(shang)原(yuan)因，為(wei)了簡化(hua)霍爾(er)元(yuan)件的(de)(de)(de)(de)(de)(de)安裝，通常(chang)(chang)在(zai)電機的(de)(de)(de)(de)(de)(de)轉(zhuan)子(zi)(zi)上(shang)安裝一顆冗余的(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)體(ti)，這個(ge)磁(ci)體(ti)專(zhuan)門用(yong)(yong)來感(gan)應霍爾(er)元(yuan)件，這樣就能起到和轉(zhuan)子(zi)(zi)磁(ci)體(ti)感(gan)應的(de)(de)(de)(de)(de)(de)相同(tong)效果(guo)(guo)，霍爾(er)元(yuan)件一般按(an)照圓周(zhou)安放(fang)(fang)在(zai)印(yin)刷電路板上(shang)并配備(bei)了調(diao)節(jie)(jie)蓋，這樣用(yong)(yong)戶就可以(yi)根據磁(ci)場的(de)(de)(de)(de)(de)(de)方向非常(chang)(chang)方便的(de)(de)(de)(de)(de)(de)調(diao)節(jie)(jie)霍爾(er)元(yuan)件的(de)(de)(de)(de)(de)(de)位(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)以(yi)便使它工作在(zai)最(zui)佳(jia)狀態。

霍爾元(yuan)件位置(zhi)的安(an)排上，有60°夾角和120°夾角兩種(zhong)(zhong)。基(ji)于這種(zhong)(zhong)擺放(fang)形式，BLDC的電流換(huan)向順序由制造廠(chang)商制定，當我們控制電機的時候就需要用到(dao)這種(zhong)(zhong)換(huan)向順序。

注意：霍爾元件的電壓范(fan)圍(wei)從(cong)4V到24V不等，電流范(fan)圍(wei)從(cong)5mA到15mA不等，所以(yi)在(zai)考慮控制器時要(yao)(yao)考慮到霍爾元件的電流和(he)電壓要(yao)(yao)求。另外，霍爾元件輸出集電極開路(lu)，使用時需要(yao)(yao)接上拉電阻。

（4）操作原理

每(mei)一(yi)次(ci)換(huan)向都(dou)會有一(yi)組繞組處(chu)于正向通(tong)電；第二(er)組反(fan)相通(tong)電；第三組不通(tong)電。轉(zhuan)(zhuan)子(zi)永磁(ci)(ci)體的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)和定(ding)子(zi)鋼片產(chan)生的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)相互作(zuo)用就產(chan)生了轉(zhuan)(zhuan)矩(ju)，理論上，當(dang)這(zhe)兩個磁(ci)(ci)場(chang)(chang)夾(jia)角為90°時(shi)(shi)會產(chan)生最大的(de)(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)矩(ju)，當(dang)這(zhe)兩個磁(ci)(ci)場(chang)(chang)重合時(shi)(shi)轉(zhuan)(zhuan)矩(ju)變為0，為了使轉(zhuan)(zhuan)子(zi)不停的(de)(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)動，那么就需要按順(shun)序(xu)改變定(ding)子(zi)的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)，就像轉(zhuan)(zhuan)子(zi)的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)一(yi)直在追(zhui)趕(gan)定(ding)子(zi)的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)一(yi)樣(yang)。典(dian)型(xing)的(de)(de)(de)“六(liu)步電流(liu)換(huan)向”順(shun)序(xu)圖展(zhan)示了定(ding)子(zi)內繞組的(de)(de)(de)通(tong)電次(ci)序(xu)。

（5）轉矩/轉速特性

圖 2.5.1 轉矩(ju)(ju)(ju)(ju)和(he)速(su)度特性顯示了(le)轉矩(ju)(ju)(ju)(ju)和(he)轉速(su)特性。BLDC一共有兩種轉矩(ju)(ju)(ju)(ju)度量：最大(da)轉矩(ju)(ju)(ju)(ju)和(he)額定(ding)轉矩(ju)(ju)(ju)(ju)。當(dang)電(dian)機(ji)連續運(yun)轉的(de)時(shi)候表現出來(lai)的(de)就是(shi)額定(ding)轉矩(ju)(ju)(ju)(ju)。在無刷電(dian)機(ji)達到(dao)額定(ding)轉速(su)之(zhi)前，轉矩(ju)(ju)(ju)(ju)不變(bian)，無刷電(dian)機(ji)最高轉速(su)可以(yi)達到(dao)額定(ding)轉速(su)的(de)150%，但是(shi)超速(su)時(shi)電(dian)機(ji)的(de)轉矩(ju)(ju)(ju)(ju)會相應下降。

在(zai)實(shi)際的(de)應用中(zhong)，我們常常會讓帶(dai)負載的(de)電(dian)機啟動、停(ting)轉和逆向運行，此時(shi)(shi)就需要比額定轉矩更大的(de)轉矩。特(te)別是當(dang)轉子靜止和反方向加速時(shi)(shi)啟動電(dian)機，這個(ge)時(shi)(shi)候就需要更大的(de)轉矩來(lai)抵消負載和轉子自(zi)身的(de)慣性，這個(ge)時(shi)(shi)候就需要提(ti)供最大的(de)轉矩一直到電(dian)機進入正向轉矩曲線階(jie)段。

3、換向時序

圖2.6.1顯(xian)示了霍爾(er)元件的輸出(chu)(chu)、反電動勢(shi)和相電流的關系。圖2.6.2顯(xian)示了根(gen)據霍爾(er)元件輸出(chu)(chu)的波形(xing)應該繞組通電的時序。

圖2.6.1中的通(tong)電(dian)(dian)序號(hao)對(dui)應(ying)的就(jiu)是圖2.6.2中的序號(hao)，每(mei)隔60°夾角(jiao)其(qi)中一(yi)(yi)個(ge)(ge)霍爾元件就(jiu)會(hui)(hui)(hui)改變一(yi)(yi)次(ci)其(qi)輸出特性，那么(me)(me)一(yi)(yi)圈（通(tong)電(dian)(dian)周(zhou)(zhou)(zhou)期(qi)）下來就(jiu)會(hui)(hui)(hui)有(you)(you)6次(ci)變化(hua)，同時(shi)相(xiang)電(dian)(dian)流也會(hui)(hui)(hui)每(mei)60°改變一(yi)(yi)次(ci)。但是，每(mei)完成一(yi)(yi)個(ge)(ge)通(tong)電(dian)(dian)周(zhou)(zhou)(zhou)期(qi)并不會(hui)(hui)(hui)使轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)動一(yi)(yi)周(zhou)(zhou)(zhou),轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)動一(yi)(yi)周(zhou)(zhou)(zhou)需要(yao)的通(tong)電(dian)(dian)周(zhou)(zhou)(zhou)期(qi)數目和轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)上的磁(ci)極(ji)的對(dui)數相(xiang)關(guan)，轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)有(you)(you)多少(shao)對(dui)磁(ci)極(ji)那么(me)(me)就(jiu)需要(yao)多少(shao)個(ge)(ge)通(tong)電(dian)(dian)周(zhou)(zhou)(zhou)期(qi)。

圖2.6.3是關于使用(yong)MCU控(kong)(kong)制無刷電(dian)機的(de)原理圖，其中(zhong)微控(kong)(kong)制器PIC18FXX31控(kong)(kong)制Q0-Q5組(zu)成的(de)驅(qu)(qu)動(dong)(dong)電(dian)路按照一(yi)定的(de)時序(xu)為BLDC通(tong)電(dian)，根據電(dian)機電(dian)壓和電(dian)流的(de)不同可以選(xuan)擇(ze)不同的(de)驅(qu)(qu)動(dong)(dong)電(dian)路，如MOSFET、IGBT或(huo)者(zhe)直接使用(yong)雙極(ji)性(xing)三極(ji)管(guan)。

表(biao)2.6.1和(he)表(biao)2.6.2表(biao)示(shi)的(de)(de)是基于霍(huo)爾輸入(ru)時(shi)(shi)(shi)在A、B、C繞組上(shang)的(de)(de)通電時(shi)(shi)(shi)序。表(biao)2.6.1是轉(zhuan)(zhuan)子(zi)順(shun)時(shi)(shi)(shi)針轉(zhuan)(zhuan)動(dong)(dong)的(de)(de)時(shi)(shi)(shi)序，表(biao)2.6.2是轉(zhuan)(zhuan)子(zi)逆時(shi)(shi)(shi)針轉(zhuan)(zhuan)動(dong)(dong)的(de)(de)時(shi)(shi)(shi)序。上(shang)面(mian)兩個(ge)表(biao)格顯示(shi)的(de)(de)是當霍(huo)爾元(yuan)件呈60°排(pai)列時(shi)(shi)(shi)的(de)(de)驅(qu)動(dong)(dong)波(bo)形(xing)，前面(mian)也提到霍(huo)爾元(yuan)件還(huan)可(ke)(ke)以呈120°的(de)(de)夾(jia)角排(pai)列，那么這個(ge)時(shi)(shi)(shi)候就需要相(xiang)應的(de)(de)驅(qu)動(dong)(dong)波(bo)形(xing)，這些波(bo)形(xing)都可(ke)(ke)以在電機生(sheng)產商的(de)(de)資料(liao)里找(zhao)到，應用(yong)時(shi)(shi)(shi)需要嚴格遵守通電時(shi)(shi)(shi)序。

假(jia)設驅(qu)動(dong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)和(he)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)運行時的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)相(xiang)等（包括驅(qu)動(dong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路本身的(de)(de)損耗），當(dang)PWMx按照給定(ding)(ding)的(de)(de)時序(xu)開和(he)關(guan)時無刷電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)將會以(yi)(yi)額定(ding)(ding)的(de)(de)轉速(su)旋轉。為了(le)調(diao)速(su)，我們(men)(men)使(shi)用(yong)(yong)遠高(gao)于電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)運轉頻率(lv)(lv)的(de)(de)PWM波(bo)驅(qu)動(dong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)，通(tong)常我們(men)(men)需(xu)要至少10倍于電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)最高(gao)頻率(lv)(lv)的(de)(de)PWM驅(qu)動(dong)波(bo)形。當(dang)PWM驅(qu)動(dong)波(bo)形的(de)(de)占(zhan)空(kong)比變(bian)(bian)化時，使(shi)得其在定(ding)(ding)子上的(de)(de)有效電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)變(bian)(bian)化，這就實現了(le)無刷電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)的(de)(de)調(diao)速(su)，另外，當(dang)驅(qu)動(dong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)高(gao)于電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)本身的(de)(de)額定(ding)(ding)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)時，我們(men)(men)可(ke)(ke)以(yi)(yi)調(diao)節(jie)PWM的(de)(de)占(zhan)空(kong)比來使(shi)得驅(qu)動(dong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)適合電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)的(de)(de)額定(ding)(ding)驅(qu)動(dong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)。可(ke)(ke)想而知(zhi)，我們(men)(men)可(ke)(ke)以(yi)(yi)使(shi)用(yong)(yong)同一個控制器去掛接(jie)不同額定(ding)(ding)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)，此時只需(xu)要用(yong)(yong)控制器改變(bian)(bian)一下(xia)(xia)PWM的(de)(de)占(zhan)空(kong)比就行了(le)。 另外還有一種控制方式：當(dang)微控制器的(de)(de)PWM輸出不夠用(yong)(yong)時，可(ke)(ke)以(yi)(yi)在整(zheng)個通(tong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)時序(xu)內將上臂(bei)一直導通(tong)（即上臂(bei)不使(shi)用(yong)(yong)PWM）而下(xia)(xia)臂(bei)使(shi)用(yong)(yong)PWM驅(qu)動(dong)。

圖 2.6.3中連接數字和模(mo)擬轉換(huan)通(tong)道(dao)的分(fen)壓(ya)(ya)電路提(ti)供了一定(ding)速度的參考電壓(ya)(ya)，有了這個電壓(ya)(ya)，我們(men)就可以(yi)計算PWM波形的有效值。

（1）閉環控制

我(wo)們(men)可以通(tong)過閉環測量(liang)當前(qian)電(dian)機的(de)(de)轉速而達到控制電(dian)機的(de)(de)轉速的(de)(de)目的(de)(de)，我(wo)們(men)通(tong)過計算期望轉速和實際轉速的(de)(de)誤差，然后使用(yong)PID算法去調節PWM的(de)(de)占空(kong)比(bi)以達到控制電(dian)機轉速的(de)(de)目的(de)(de)。

對(dui)于(yu)低(di)成本(ben)，低(di)轉(zhuan)(zhuan)速(su)的(de)應(ying)用(yong)場合，可以(yi)使(shi)用(yong)霍爾傳感器(qi)獲得轉(zhuan)(zhuan)速(su)反(fan)饋。利用(yong)PIC18FXX31微(wei)控制器(qi)本(ben)身的(de)一個(ge)(ge)定時器(qi)去測量兩個(ge)(ge)霍爾元件輸出信號，然后根(gen)據這個(ge)(ge)信號得出實際的(de)轉(zhuan)(zhuan)速(su)。

在高轉(zhuan)速應用場合，我們可(ke)以在電(dian)(dian)機(ji)上(shang)裝上(shang)光(guang)(guang)電(dian)(dian)編(bian)碼(ma)(ma)器(qi)，可(ke)以利(li)用其輸出相差90°的(de)信號進行轉(zhuan)速和轉(zhuan)向的(de)測量。通常(chang)，光(guang)(guang)電(dian)(dian)編(bian)碼(ma)(ma)器(qi)還(huan)可(ke)以輸出PPR信號，使得可(ke)以進行較精確的(de)轉(zhuan)子定位，編(bian)碼(ma)(ma)器(qi)的(de)編(bian)碼(ma)(ma)刻(ke)度可(ke)以上(shang)百甚至(zhi)上(shang)千，編(bian)碼(ma)(ma)刻(ke)度越(yue)多，精度越(yue)高。

4、反電動勢（BACK EMF）

根據楞(leng)次定(ding)律，當BLDC轉動時其繞組(zu)會(hui)產(chan)生與繞組(zu)兩(liang)端電壓相反(fan)(fan)(fan)方向的反(fan)(fan)(fan)向電壓，這(zhe)就是(shi)反(fan)(fan)(fan)電動勢(shi)（BACK EMF）。記(ji)住，反(fan)(fan)(fan)電動勢(shi)和繞組(zu)所(suo)加電壓是(shi)反(fan)(fan)(fan)向的。決定(ding)反(fan)(fan)(fan)電動勢(shi)的主要因(yin)素有以下幾點：

· 轉子(zi)的角速度；

· 轉子(zi)永磁體(ti)的磁場強度；

· 每個定子繞(rao)組纏繞(rao)的線圈數量。

計(ji)算反電動勢的公(gong)式(shi)： Back EMF = (E) ∝ NlBw 其中(zhong)：

· N為每相繞組(zu)的線圈數量(liang)

· L轉子的長(chang)度

· B為轉子的磁通(tong)密度

· W為轉子的(de)角(jiao)速度

當電機(ji)一(yi)旦(dan)做(zuo)好，那(nei)么其繞組的(de)線圈數量(liang)和永磁(ci)體的(de)磁(ci)通(tong)密(mi)度就(jiu)定了，由公式可(ke)(ke)知，唯一(yi)決定反(fan)電動勢的(de)量(liang)就(jiu)是轉子的(de)角(jiao)速度（也可(ke)(ke)以(yi)換算為線速度）且(qie)角(jiao)速度和反(fan)電動勢成(cheng)正比。廠家(jia)一(yi)般(ban)會提(ti)供電機(ji)的(de)反(fan)電動勢常量(liang)，通(tong)過它我(wo)們(men)可(ke)(ke)以(yi)用來估計某一(yi)轉速下反(fan)電動勢的(de)大小(xiao)。

繞組(zu)上的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓等于供電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓減去反電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)動(dong)勢，廠家在設計(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)的(de)(de)時(shi)(shi)候會(hui)選(xuan)取適當的(de)(de)反電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)動(dong)勢常量以便電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)工作時(shi)(shi)有足(zu)夠的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓差(cha)可以使電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)達到額定(ding)轉(zhuan)(zhuan)速(su)(su)并具有足(zu)夠的(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)矩。當電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)超(chao)過額定(ding)轉(zhuan)(zhuan)速(su)(su)工作時(shi)(shi)，反電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)動(dong)勢會(hui)持續上升，這時(shi)(shi)加在電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)繞組(zu)間的(de)(de)有效電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓會(hui)下(xia)降，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流會(hui)減少，扭(niu)矩會(hui)下(xia)降，當反電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)動(dong)勢和(he)供電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓相(xiang)等的(de)(de)時(shi)(shi)候，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流降為0，扭(niu)矩為0，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)達到極(ji)限轉(zhuan)(zhuan)速(su)(su)

5、無傳感器BLDC控制

目前為止，我(wo)們所討論的(de)都是基(ji)于(yu)霍爾元件(jian)獲取電機轉(zhuan)子位置的(de)換向器(qi)控(kong)制(zhi)方式(shi)，其實可(ke)以直(zhi)接通過測(ce)量電機反電動(dong)勢(shi)而知道轉(zhuan)子的(de)位置，在 圖 2.6.1中已(yi)經可(ke)以比較清晰的(de)看出(chu)反電動(dong)勢(shi)和霍爾元件(jian)輸出(chu)信號之間的(de)關系。

通(tong)(tong)過前些(xie)章節(jie)的討論，我(wo)們可以(yi)看(kan)出在任何時(shi)(shi)候(hou)(hou)，電(dian)(dian)機的繞組都是有一相(xiang)為(wei)正向(xiang)通(tong)(tong)電(dian)(dian)、一相(xiang)為(wei)反(fan)向(xiang)通(tong)(tong)電(dian)(dian)和另(ling)外一相(xiang)為(wei)不通(tong)(tong)電(dian)(dian)。當某相(xiang)反(fan)電(dian)(dian)動(dong)勢反(fan)向(xiang)的時(shi)(shi)候(hou)(hou)霍爾(er)傳感器(qi)的輸出也跟著變化。理想狀態(tai)下(xia)，霍爾(er)元(yuan)件的輸出會(hui)在相(xiang)反(fan)電(dian)(dian)動(dong)勢過零的時(shi)(shi)候(hou)(hou)發生改變，實際應用(yong)時(shi)(shi)會(hui)有一段(duan)小(xiao)的延遲(chi)，這種延遲(chi)可以(yi)通(tong)(tong)過微控(kong)制器(qi)補償(chang)。

圖 3.1.1為利用反(fan)電動勢過(guo)零(ling)檢(jian)測的方(fang)式來控制BLDC。

還有一方面需要(yao)考慮：當(dang)電(dian)(dian)(dian)機轉(zhuan)速比較低的(de)時候，反電(dian)(dian)(dian)動(dong)勢(shi)會比較小，以(yi)致(zhi)過(guo)(guo)零(ling)檢(jian)測(ce)電(dian)(dian)(dian)路無法正(zheng)常(chang)檢(jian)測(ce)，這個時候在(zai)電(dian)(dian)(dian)機啟動(dong)階段(duan)就需要(yao)使用開環控制，當(dang)電(dian)(dian)(dian)機啟動(dong)到產生可(ke)(ke)以(yi)過(guo)(guo)零(ling)檢(jian)測(ce)的(de)反電(dian)(dian)(dian)動(dong)勢(shi)轉(zhuan)速時，系統就需要(yao)切換到過(guo)(guo)零(ling)檢(jian)測(ce)控制模式，進行閉環控制。最低的(de)過(guo)(guo)零(ling)檢(jian)測(ce)轉(zhuan)速可(ke)(ke)以(yi)根據電(dian)(dian)(dian)機的(de)反電(dian)(dian)(dian)動(dong)勢(shi)常(chang)量計(ji)算出來。根據這個原(yuan)理(li)，可(ke)(ke)以(yi)去除霍爾(er)元(yuan)件(jian)以(yi)及因其安(an)(an)裝的(de)輔助(zhu)磁(ci)體(ti)，這樣就可(ke)(ke)以(yi)簡化(hua)制造節約成本。另外，除去了霍爾(er)元(yuan)件(jian)的(de)電(dian)(dian)(dian)機可(ke)(ke)以(yi)安(an)(an)裝在(zai)一些粉塵和油(you)污比較大(da)的(de)地方而無須為保證霍爾(er)的(de)正(zheng)常(chang)工作而定(ding)時進行清理(li)，與此(ci)同時，這種免維護電(dian)(dian)(dian)機還可(ke)(ke)以(yi)安(an)(an)裝在(zai)人很(hen)難觸(chu)及的(de)地方。

6、選擇合適的BLDC

為實際應用選擇合適的電(dian)(dian)機是(shi)至關重要(yao)的。根據電(dian)(dian)機的負(fu)載(zai)特性(xing)，需(xu)要(yao)確(que)定合適的電(dian)(dian)機參數(shu)。其主要(yao)參數(shu)有以下幾(ji)點：

·應用是的最大扭(niu)矩(ju)要求；

·平方根(RMS)扭矩需求；

·轉速要求。

（1）最大扭矩

最大的(de)扭矩(ju)可以通過將負載(zai)扭矩(ju)、轉動慣量和摩擦力相加得(de)到(dao)。另外(wai)，還有(you)一(yi)些額(e)外(wai)的(de)因素影(ying)響最大需(xu)求扭矩(ju)如(ru)：氣(qi)隙空(kong)氣(qi)的(de)阻(zu)力等(deng)，這就需(xu)要至少20%的(de)扭矩(ju)余量，綜上所述，有(you)以下(xia)等(deng)式(shi)：

TP = (TL + TJ + TF) * 1.2

TJ為電(dian)(dian)機(ji)啟(qi)動或加(jia)速(su)過程需要(yao)克服(fu)的轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)動力矩，其主要(yao)包括電(dian)(dian)機(ji)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子的轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)動力矩和負載的轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)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(he)負(fu)(fu)載的(de)轉動力矩。 電機(ji)的(de)機(ji)械軸決定電機(ji)的(de)負(fu)(fu)載力矩和(he)摩擦力。

（2）平方根扭矩

可以近似的(de)認(ren)為(wei)(wei)平(ping)方根(gen)扭(niu)(niu)矩(ju)(ju)為(wei)(wei)實(shi)際應用中(zhong)需要的(de)持續輸出扭(niu)(niu)矩(ju)(ju)。它(ta)由(you)很多(duo)因(yin)素決定(ding)：最大扭(niu)(niu)矩(ju)(ju)、負(fu)載扭(niu)(niu)矩(ju)(ju)、轉動慣量(liang)、加(jia)速(su)(su)(su)、減速(su)(su)(su)以及運行(xing)時(shi)(shi)間。下(xia)面(mian)的(de)等式(shi)表(biao)示了(le)平(ping)方根(gen)扭(niu)(niu)矩(ju)(ju)的(de)計算(suan)，其中(zhong)TA為(wei)(wei)加(jia)速(su)(su)(su)時(shi)(shi)間、TD為(wei)(wei)減速(su)(su)(su)時(shi)(shi)間和TR為(wei)(wei)運行(xing)時(shi)(shi)間。

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

（3）轉速

這是(shi)有(you)應用需(xu)求(qiu)的(de)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速。比如(ru)，吹風機(ji)的(de)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速需(xu)求(qiu)是(shi)，最高轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速和(he)平均轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速相差不大(da)(da)，顯然在(zai)一些點對點定位系統如(ru)傳送帶(dai)和(he)機(ji)械臂系統中就需(xu)要大(da)(da)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速范圍(wei)的(de)電機(ji)，可以根據電機(ji)的(de)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速梯(ti)形曲(qu)線（）確定電機(ji)的(de)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速需(xu)求(qiu)。通常，由(you)于其他因素，在(zai)計算電機(ji)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速需(xu)求(qiu)的(de)時候需(xu)要留有(you)10%余量。

7、BLDC典型應用

BLDC的(de)應用十分(fen)(fen)廣泛，如汽(qi)車、工(gong)具(ju)、工(gong)業工(gong)控、自動(dong)化(hua)以(yi)及航空航天等(deng)(deng)等(deng)(deng)。總的(de)來說，BLDC可以(yi)分(fen)(fen)為以(yi)下三種主(zhu)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(yong)(yong)主要用(yong)(yong)于那些需要一定(ding)轉速但(dan)是(shi)對(dui)轉速精度要求不高的領(ling)域，比(bi)如(ru)風扇、抽(chou)水機、吹風氣等一類的應用(yong)(yong)。通常(chang)這類應用(yong)(yong)成本(ben)比(bi)較低且(qie)多是(shi)開環控制。

（2）可變負載應用

這(zhe)類主要(yao)指的(de)是(shi)電(dian)機(ji)(ji)轉速(su)(su)需要(yao)在(zai)某(mou)個范圍內變化的(de)應用，在(zai)這(zhe)類應用中主要(yao)對電(dian)機(ji)(ji)的(de)高轉速(su)(su)特性(xing)和動態響應特性(xing)有(you)更高的(de)要(yao)求。家(jia)用器具中的(de)洗衣機(ji)(ji)、甩(shuai)干(gan)機(ji)(ji)和壓縮(suo)機(ji)(ji)就(jiu)是(shi)很好的(de)例(li)子(zi)。在(zai)汽車工(gong)業(ye)領域(yu)，油泵控(kong)(kong)制、電(dian)控(kong)(kong)制器、發動機(ji)(ji)控(kong)(kong)制和電(dian)子(zi)工(gong)具等(deng)也是(shi)很好的(de)例(li)子(zi)。在(zai)航(hang)空領域(yu)也有(you)很多(duo)的(de)應用，比如離心(xin)機(ji)(ji)、泵、機(ji)(ji)械(xie)臂(bei)、陀螺儀等(deng)等(deng)。這(zhe)個領域(yu)中多(duo)使用電(dian)機(ji)(ji)反饋器件組成半開(kai)環和閉環進行控(kong)(kong)制。這(zhe)就(jiu)需要(yao)復(fu)雜的(de)控(kong)(kong)制算法，增加(jia)(jia)了控(kong)(kong)制器的(de)復(fu)雜程度也增加(jia)(jia)了系統(tong)成本。

（3）定位應用

大多(duo)數(shu)的(de)(de)(de)工(gong)業控制(zhi)(zhi)(zhi)和(he)(he)自動控制(zhi)(zhi)(zhi)方(fang)面的(de)(de)(de)應(ying)用(yong)屬于(yu)這(zhe)(zhe)個(ge)(ge)類別。在這(zhe)(zhe)些(xie)(xie)應(ying)用(yong)中往(wang)往(wang)會(hui)完成能(neng)量的(de)(de)(de)輸送，如齒輪或者傳送帶(dai)，因(yin)此系統對電機(ji)(ji)的(de)(de)(de)轉速(su)(su)的(de)(de)(de)動態響(xiang)應(ying)和(he)(he)轉矩有特別的(de)(de)(de)要(yao)求(qiu)，同時這(zhe)(zhe)些(xie)(xie)應(ying)用(yong)也(ye)可(ke)能(neng)需要(yao)隨時的(de)(de)(de)改變(bian)電機(ji)(ji)的(de)(de)(de)轉向，電機(ji)(ji)可(ke)能(neng)工(gong)作(zuo)在勻速(su)(su)，加速(su)(su)，減少階段(duan)，而且有可(ke)能(neng)在這(zhe)(zhe)些(xie)(xie)階段(duan)中負載也(ye)在變(bian)化，所以這(zhe)(zhe)對控制(zhi)(zhi)(zhi)器提出了更高(gao)的(de)(de)(de)要(yao)求(qiu)，通常這(zhe)(zhe)種控制(zhi)(zhi)(zhi)使用(yong)閉環(huan)控制(zhi)(zhi)(zhi)，甚(shen)至會(hui)有扭(niu)矩環(huan)、速(su)(su)度(du)環(huan)和(he)(he)位置(zhi)(zhi)環(huan)三個(ge)(ge)控制(zhi)(zhi)(zhi)環(huan)。測(ce)速(su)(su)時可(ke)能(neng)會(hui)用(yong)上光(guang)電編碼(ma)器和(he)(he)一些(xie)(xie)同步設備。有時候這(zhe)(zhe)些(xie)(xie)傳感(gan)器會(hui)被用(yong)于(yu)測(ce)量相(xiang)對位置(zhi)(zhi)，也(ye)有時候用(yong)于(yu)測(ce)量絕(jue)對位置(zhi)(zhi)。過(guo)程控制(zhi)(zhi)(zhi)、機(ji)(ji)械控制(zhi)(zhi)(zhi)和(he)(he)運(yun)輸控制(zhi)(zhi)(zhi)很多(duo)都屬于(yu)這(zhe)(zhe)類應(ying)用(yong)。

8、總結

總的來(lai)說，無刷電(dian)機相對傳統的有刷電(dian)機、感應電(dian)機而言，它(ta)擁有高的轉速(su)/扭矩比、好動態特(te)性、高效率(lv)、長壽命(ming)、低(di)噪聲、寬轉速(su)范(fan)圍和(he)制(zhi)(zhi)造容易等(deng)(deng)等(deng)(deng)優良(liang)特(te)性。特(te)別是去單(dan)位體積的功率(lv)輸出特(te)性使(shi)得其可(ke)以(yi)用于對尺寸和(he)重量敏(min)感的場(chang)合(he)。這些優良(liang)的特(te)性使(shi)得BLDC在工(gong)業控制(zhi)(zhi)領域、汽車工(gong)業、航(hang)空(kong)航(hang)天等(deng)(deng)等(deng)(deng)領域有著非常廣泛的應用！