【直流(liu)無(wu)(wu)刷(shua)(shua)電(dian)機(ji)】直流(liu)無(wu)(wu)刷(shua)(shua)電(dian)機(ji)原理 直流(liu)無(wu)(wu)刷(shua)(shua)電(dian)機(ji)工作(zuo)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被廣泛的用于日常生活用具、汽車工業、航空、消(xiao)費電(dian)子、醫(yi)學(xue)電(dian)子、工(gong)業自動化等裝置(zhi)和儀表。

顧名思義，BLDC不使(shi)用(yong)機(ji)械結構的換向(xiang)電(dian)刷而直接使(shi)用(yong)電(dian)子(zi)換向(xiang)器，在使(shi)用(yong)中BLDC相比(bi)有刷電(dian)機(ji)有許多的優點，比(bi)如(ru)：

·能(neng)獲得(de)更好的扭(niu)矩轉速特(te)性(xing)；

·高速動態(tai)響應(ying)；

·高效率；

·長壽命；

·低噪聲；

·高轉速。

另(ling)外(wai)，BLDC更(geng)優的扭矩和(he)外(wai)形尺寸比使得它更(geng)適(shi)合用(yong)(yong)于對電機自身重量和(he)大小(xiao)比較敏感的場合。 在這篇(pian)應用(yong)(yong)筆(bi)記(ji)中(zhong)將會對BLDC的結構(gou)、基本(ben)原(yuan)理、特性和(he)應用(yong)(yong)做一系列的探(tan)討。探(tan)討過程中(zhong)可能用(yong)(yong)到(dao)的術(shu)語可以在附錄(lu)B“術(shu)語表”中(zhong)找到(dao)相(xiang)應的解釋。

2、BLDC結構和基本工作原理

BLDC屬于同步電(dian)機(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)一種(zhong)，這就意(yi)味著它的(de)(de)(de)(de)(de)定(ding)(ding)子產生(sheng)的(de)(de)(de)(de)(de)磁場和轉(zhuan)子產生(sheng)的(de)(de)(de)(de)(de)磁場是同頻(pin)率的(de)(de)(de)(de)(de)，所(suo)以BLDC并不會產生(sheng)普通(tong)感應電(dian)機(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)頻(pin)差(cha)現象。BLDC中(zhong)又有單相(xiang)(xiang)(xiang)、2相(xiang)(xiang)(xiang)和3相(xiang)(xiang)(xiang)電(dian)機(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)區別，相(xiang)(xiang)(xiang)類型的(de)(de)(de)(de)(de)不同決定(ding)(ding)其定(ding)(ding)子線圈繞組(zu)的(de)(de)(de)(de)(de)多少。在(zai)這里我們將(jiang)集中(zhong)討(tao)論的(de)(de)(de)(de)(de)是應用最為廣(guang)泛的(de)(de)(de)(de)(de)3相(xiang)(xiang)(xiang)BLDC。

（1） 定子

BLDC定(ding)子(zi)是由(you)許多(duo)硅鋼片經過疊壓和(he)軸向沖壓而成，每個(ge)沖槽(cao)內都有(you)一定(ding)的(de)(de)線圈組(zu)成了繞組(zu)，可以參見下圖。從(cong)傳(chuan)統意義(yi)上講，BLDC的(de)(de)定(ding)子(zi)和(he)感應電機的(de)(de)定(ding)子(zi)有(you)點類似，不過在定(ding)子(zi)繞組(zu)的(de)(de)分(fen)布上有(you)一定(ding)的(de)(de)差別。大多(duo)數(shu)的(de)(de)BLDC定(ding)子(zi)有(you)3個(ge)呈星行排列的(de)(de)繞組(zu)，每個(ge)繞組(zu)又由(you)許多(duo)內部結合的(de)(de)鋼片按照(zhao)一定(ding)的(de)(de)方式(shi)組(zu)成，偶數(shu)個(ge)繞組(zu)分(fen)布在定(ding)子(zi)的(de)(de)周圍(wei)組(zu)成了偶數(shu)個(ge)磁極。

圖2.1.1. BLDC內部(bu)結構

BLDC的(de)(de)(de)(de)定子繞組(zu)可以分為梯(ti)形和正弦兩種(zhong)繞組(zu)，它們的(de)(de)(de)(de)根本(ben)區別(bie)在于由于繞組(zu)的(de)(de)(de)(de)不同連(lian)接方式使(shi)它們產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)(de)反電(dian)動(dong)勢（反電(dian)動(dong)勢的(de)(de)(de)(de)相關介(jie)紹請(qing)參加EMF一(yi)節）不同，分別(bie)呈(cheng)現梯(ti)形和正弦波(bo)形，故用此命名了。梯(ti)形和正弦繞組(zu)產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)(de)反電(dian)動(dong)勢的(de)(de)(de)(de)波(bo)形圖如下圖。

另外還需(xu)要對反電動勢的(de)一(yi)點(dian)說(shuo)明就是繞組(zu)(zu)的(de)不同其相(xiang)電流(liu)也是呈現梯形和正(zheng)弦波(bo)形，可想而(er)知正(zheng)弦繞組(zu)(zu)由于波(bo)形平滑所(suo)以運行(xing)起來相(xiang)對梯形繞組(zu)(zu)來說(shuo)就更平穩一(yi)些。但是，正(zheng)弦型繞組(zu)(zu)由于有更多(duo)繞組(zu)(zu)使得其在銅線(xian)的(de)使用(yong)上就相(xiang)對梯形繞組(zu)(zu)要多(duo)。

平時(shi)由(you)于應用電(dian)壓(ya)(ya)的不同(tong)，我們(men)可以(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)根(gen)據需(xu)要(yao)選(xuan)擇不同(tong)電(dian)壓(ya)(ya)范(fan)圍的無刷電(dian)機。48V及(ji)其以(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)下(xia)應用電(dian)壓(ya)(ya)的電(dian)機可以(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)用在汽車、機器(qi)人、小型機械(xie)臂等方面。100V及(ji)其以(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)上(shang)電(dian)壓(ya)(ya)范(fan)圍的電(dian)機可以(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)用在專用器(qi)具、自動控制以(yi)(yi)(yi)(yi)(yi)及(ji)工(gong)業(ye)生產領(ling)域。

（2）轉子

定子是(shi)2至(zhi)8對永(yong)磁體按照N極(ji)(ji)和S極(ji)(ji)交替排列在轉子周圍構成的（內轉子型），如(ru)果(guo)是(shi)外轉子型BLDC那么就是(shi)貼(tie)在轉子內壁咯(ge)。如(ru)圖2.2.1所示；

圖2.2.1 轉子磁(ci)極排布(bu)

（3）霍爾傳感器

與(yu)有(you)刷直流(liu)電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)不(bu)同(tong)，無刷直流(liu)電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)使用(yong)電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)方式換向。要(yao)(yao)使BLDC轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)起來，必須要(yao)(yao)按(an)照(zhao)一定的(de)(de)(de)順序給(gei)定子(zi)通(tong)(tong)電(dian)(dian)(dian)(dian)，那么我們就需要(yao)(yao)知道轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)的(de)(de)(de)位置以(yi)便按(an)照(zhao)通(tong)(tong)電(dian)(dian)(dian)(dian)次序給(gei)相應(ying)的(de)(de)(de)定子(zi)線圈(quan)通(tong)(tong)電(dian)(dian)(dian)(dian)。定子(zi)的(de)(de)(de)位置是(shi)由嵌入到(dao)定子(zi)的(de)(de)(de)霍爾(er)傳感器感知的(de)(de)(de)。通(tong)(tong)常會安排(pai)3個霍爾(er)傳感器在轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)的(de)(de)(de)旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)路徑(jing)周圍。無論(lun)何時(shi)，只(zhi)要(yao)(yao)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)的(de)(de)(de)磁極掠過霍爾(er)元件時(shi)，根據轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)當前(qian)磁極的(de)(de)(de)極性霍爾(er)元件會輸(shu)出對應(ying)的(de)(de)(de)高或低電(dian)(dian)(dian)(dian)平，這樣只(zhi)要(yao)(yao)根據3個霍爾(er)元件產(chan)生的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)平的(de)(de)(de)時(shi)序就可以(yi)判斷當前(qian)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)的(de)(de)(de)位置，并(bing)相應(ying)的(de)(de)(de)對定子(zi)繞組進行通(tong)(tong)電(dian)(dian)(dian)(dian)。

霍爾(er)(er)效(xiao)應：當(dang)通(tong)電導(dao)(dao)體(ti)處于(yu)磁(ci)場(chang)(chang)(chang)中，由于(yu)磁(ci)場(chang)(chang)(chang)的作用力使得導(dao)(dao)體(ti)內(nei)的電荷(he)會向導(dao)(dao)體(ti)的一側聚(ju)集，當(dang)薄平板通(tong)電導(dao)(dao)體(ti)處于(yu)磁(ci)場(chang)(chang)(chang)中時(shi)這(zhe)種(zhong)效(xiao)應更為明(ming)顯，這(zhe)樣一側聚(ju)集了電荷(he)的導(dao)(dao)體(ti)會抵消磁(ci)場(chang)(chang)(chang)的這(zhe)種(zhong)影響，由于(yu)電荷(he)在導(dao)(dao)體(ti)一側的聚(ju)集，從(cong)而使得導(dao)(dao)體(ti)兩側產生電壓(ya)，這(zhe)種(zhong)現(xian)象就稱為霍爾(er)(er)效(xiao)應，E.H霍爾(er)(er)在1879年發(fa)現(xian)了這(zhe)一現(xian)象，故(gu)以此命名(ming)。

圖2.3.1 霍(huo)爾傳感器測量原理(li)

圖(tu) 2.3.1顯示了(le)(le)NS磁極(ji)交(jiao)替排列(lie)的(de)(de)轉子(zi)的(de)(de)橫(heng)截(jie)面(mian)。霍(huo)(huo)爾(er)(er)元件(jian)(jian)(jian)安(an)放在(zai)(zai)電(dian)機(ji)(ji)的(de)(de)固定位(wei)置，將霍(huo)(huo)爾(er)(er)元件(jian)(jian)(jian)安(an)放到電(dian)機(ji)(ji)的(de)(de)定子(zi)是比(bi)較復(fu)雜的(de)(de)，因為如果安(an)放時位(wei)置沒(mei)有和轉子(zi)的(de)(de)磁場(chang)相(xiang)切(qie)那么就(jiu)可能(neng)導致霍(huo)(huo)爾(er)(er)元件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)測量值不能(neng)準確的(de)(de)反應轉子(zi)當(dang)前(qian)的(de)(de)位(wei)置，鑒于以(yi)上原因，為了(le)(le)簡化霍(huo)(huo)爾(er)(er)元件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)安(an)裝，通(tong)常在(zai)(zai)電(dian)機(ji)(ji)的(de)(de)轉子(zi)上安(an)裝一(yi)顆冗余(yu)的(de)(de)磁體(ti)，這個磁體(ti)專門用來感(gan)(gan)應霍(huo)(huo)爾(er)(er)元件(jian)(jian)(jian)，這樣就(jiu)能(neng)起到和轉子(zi)磁體(ti)感(gan)(gan)應的(de)(de)相(xiang)同效果，霍(huo)(huo)爾(er)(er)元件(jian)(jian)(jian)一(yi)般按照圓周安(an)放在(zai)(zai)印刷(shua)電(dian)路(lu)板上并配備了(le)(le)調(diao)節蓋(gai)，這樣用戶(hu)就(jiu)可以(yi)根據磁場(chang)的(de)(de)方(fang)向非常方(fang)便的(de)(de)調(diao)節霍(huo)(huo)爾(er)(er)元件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)位(wei)置以(yi)便使(shi)它工作(zuo)在(zai)(zai)最佳狀態。

霍爾(er)元(yuan)件位置的安排上，有60°夾角(jiao)和(he)120°夾角(jiao)兩種。基于這種擺放形式(shi)，BLDC的電(dian)流(liu)換向順序(xu)(xu)由制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)廠商制(zhi)(zhi)(zhi)定，當(dang)我們控制(zhi)(zhi)(zhi)電(dian)機(ji)的時候就需要用(yong)到(dao)這種換向順序(xu)(xu)。

注意(yi)：霍(huo)爾(er)元件的電(dian)壓范圍從(cong)4V到24V不等，電(dian)流范圍從(cong)5mA到15mA不等，所(suo)以在(zai)考慮控制器(qi)時(shi)要考慮到霍(huo)爾(er)元件的電(dian)流和(he)電(dian)壓要求。另外，霍(huo)爾(er)元件輸出集電(dian)極開路，使用時(shi)需要接上(shang)拉電(dian)阻(zu)。

（4）操作原理

每一次換向都會有(you)一組(zu)繞(rao)組(zu)處于正向通電；第二組(zu)反(fan)相通電；第三組(zu)不通電。轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)永磁(ci)體的(de)磁(ci)場和定子(zi)(zi)(zi)鋼片(pian)產生的(de)磁(ci)場相互(hu)作用就產生了(le)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)矩，理論上，當(dang)這兩(liang)個磁(ci)場夾角為90°時會產生最大的(de)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)矩，當(dang)這兩(liang)個磁(ci)場重合(he)時轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)矩變為0，為了(le)使轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)不停(ting)的(de)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)動，那么就需(xu)要按順序改(gai)變定子(zi)(zi)(zi)的(de)磁(ci)場，就像轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)的(de)磁(ci)場一直(zhi)在追趕定子(zi)(zi)(zi)的(de)磁(ci)場一樣。典型的(de)“六(liu)步電流(liu)換向”順序圖展示了(le)定子(zi)(zi)(zi)內(nei)繞(rao)組(zu)的(de)通電次序。

（5）轉矩/轉速特性

圖 2.5.1 轉(zhuan)矩(ju)(ju)和速度特性顯示(shi)了轉(zhuan)矩(ju)(ju)和轉(zhuan)速特性。BLDC一共有兩(liang)種轉(zhuan)矩(ju)(ju)度量(liang)：最大(da)轉(zhuan)矩(ju)(ju)和額定轉(zhuan)矩(ju)(ju)。當電機(ji)連續運轉(zhuan)的(de)(de)時(shi)候表現出來的(de)(de)就是額定轉(zhuan)矩(ju)(ju)。在無(wu)刷電機(ji)達(da)到(dao)額定轉(zhuan)速之前，轉(zhuan)矩(ju)(ju)不(bu)變，無(wu)刷電機(ji)最高轉(zhuan)速可以達(da)到(dao)額定轉(zhuan)速的(de)(de)150%，但是超(chao)速時(shi)電機(ji)的(de)(de)轉(zhuan)矩(ju)(ju)會相應(ying)下降。

在實(shi)際的(de)應用中，我們常常會讓帶負(fu)載(zai)的(de)電(dian)(dian)機啟動、停(ting)轉(zhuan)和(he)逆(ni)向運行，此(ci)時就(jiu)(jiu)需(xu)要比額定轉(zhuan)矩更大的(de)轉(zhuan)矩。特別(bie)是(shi)當轉(zhuan)子(zi)靜止(zhi)和(he)反方(fang)向加速(su)時啟動電(dian)(dian)機，這個(ge)(ge)時候就(jiu)(jiu)需(xu)要更大的(de)轉(zhuan)矩來(lai)抵消負(fu)載(zai)和(he)轉(zhuan)子(zi)自身的(de)慣性，這個(ge)(ge)時候就(jiu)(jiu)需(xu)要提供最(zui)大的(de)轉(zhuan)矩一直到電(dian)(dian)機進(jin)入正(zheng)向轉(zhuan)矩曲線階段。

3、換向時序

圖2.6.1顯示了霍爾元件(jian)的(de)輸出、反電動勢和相(xiang)電流(liu)的(de)關系。圖2.6.2顯示了根據霍爾元件(jian)輸出的(de)波形應該繞組(zu)通電的(de)時序。

圖(tu)(tu)2.6.1中(zhong)的(de)通電(dian)(dian)序(xu)號對應的(de)就是(shi)圖(tu)(tu)2.6.2中(zhong)的(de)序(xu)號，每(mei)(mei)隔60°夾角(jiao)其(qi)中(zhong)一(yi)(yi)個霍爾(er)元件就會改變(bian)一(yi)(yi)次(ci)(ci)其(qi)輸出特性，那(nei)么一(yi)(yi)圈（通電(dian)(dian)周(zhou)(zhou)期(qi)）下(xia)來(lai)就會有6次(ci)(ci)變(bian)化，同時相(xiang)電(dian)(dian)流也會每(mei)(mei)60°改變(bian)一(yi)(yi)次(ci)(ci)。但(dan)是(shi)，每(mei)(mei)完成一(yi)(yi)個通電(dian)(dian)周(zhou)(zhou)期(qi)并(bing)不會使轉(zhuan)(zhuan)子(zi)轉(zhuan)(zhuan)動一(yi)(yi)周(zhou)(zhou),轉(zhuan)(zhuan)子(zi)轉(zhuan)(zhuan)動一(yi)(yi)周(zhou)(zhou)需要(yao)的(de)通電(dian)(dian)周(zhou)(zhou)期(qi)數目和轉(zhuan)(zhuan)子(zi)上的(de)磁極(ji)的(de)對數相(xiang)關(guan)，轉(zhuan)(zhuan)子(zi)有多少(shao)對磁極(ji)那(nei)么就需要(yao)多少(shao)個通電(dian)(dian)周(zhou)(zhou)期(qi)。

圖(tu)2.6.3是關于使用(yong)MCU控制(zhi)(zhi)無刷電(dian)機的(de)原理(li)圖(tu)，其中微(wei)控制(zhi)(zhi)器PIC18FXX31控制(zhi)(zhi)Q0-Q5組成的(de)驅動(dong)電(dian)路(lu)按照一定(ding)的(de)時序為BLDC通電(dian)，根據電(dian)機電(dian)壓和(he)電(dian)流的(de)不同可以選擇(ze)不同的(de)驅動(dong)電(dian)路(lu)，如MOSFET、IGBT或者直(zhi)接使用(yong)雙極性三(san)極管。

表(biao)(biao)2.6.1和表(biao)(biao)2.6.2表(biao)(biao)示的是基于霍(huo)爾(er)輸入時(shi)(shi)在A、B、C繞組上的通電(dian)時(shi)(shi)序(xu)。表(biao)(biao)2.6.1是轉(zhuan)(zhuan)子順時(shi)(shi)針轉(zhuan)(zhuan)動(dong)(dong)的時(shi)(shi)序(xu)，表(biao)(biao)2.6.2是轉(zhuan)(zhuan)子逆時(shi)(shi)針轉(zhuan)(zhuan)動(dong)(dong)的時(shi)(shi)序(xu)。上面(mian)兩個表(biao)(biao)格顯示的是當霍(huo)爾(er)元件呈60°排(pai)列時(shi)(shi)的驅動(dong)(dong)波形，前面(mian)也(ye)提到霍(huo)爾(er)元件還可(ke)(ke)以呈120°的夾(jia)角排(pai)列，那么這個時(shi)(shi)候就需(xu)要相應(ying)的驅動(dong)(dong)波形，這些波形都可(ke)(ke)以在電(dian)機(ji)生產商的資料里找(zhao)到，應(ying)用時(shi)(shi)需(xu)要嚴格遵守通電(dian)時(shi)(shi)序(xu)。

假設(she)驅(qu)動(dong)(dong)(dong)電(dian)(dian)壓和電(dian)(dian)機(ji)運(yun)行時(shi)的(de)(de)電(dian)(dian)壓相等(deng)（包括驅(qu)動(dong)(dong)(dong)電(dian)(dian)路本(ben)身的(de)(de)損耗），當PWMx按照給定的(de)(de)時(shi)序開和關時(shi)無刷電(dian)(dian)機(ji)將會以(yi)(yi)額(e)定的(de)(de)轉速(su)旋轉。為了(le)調速(su)，我們(men)使(shi)(shi)(shi)用(yong)(yong)遠高(gao)于電(dian)(dian)機(ji)運(yun)轉頻率(lv)的(de)(de)PWM波(bo)(bo)驅(qu)動(dong)(dong)(dong)電(dian)(dian)機(ji)，通(tong)常(chang)我們(men)需(xu)(xu)要(yao)至少10倍于電(dian)(dian)機(ji)最高(gao)頻率(lv)的(de)(de)PWM驅(qu)動(dong)(dong)(dong)波(bo)(bo)形。當PWM驅(qu)動(dong)(dong)(dong)波(bo)(bo)形的(de)(de)占(zhan)空比變化時(shi)，使(shi)(shi)(shi)得其在定子上的(de)(de)有效(xiao)電(dian)(dian)壓變化，這就實現(xian)了(le)無刷電(dian)(dian)機(ji)的(de)(de)調速(su)，另外，當驅(qu)動(dong)(dong)(dong)電(dian)(dian)源電(dian)(dian)壓高(gao)于電(dian)(dian)機(ji)本(ben)身的(de)(de)額(e)定電(dian)(dian)壓時(shi)，我們(men)可(ke)以(yi)(yi)調節(jie)PWM的(de)(de)占(zhan)空比來(lai)使(shi)(shi)(shi)得驅(qu)動(dong)(dong)(dong)電(dian)(dian)源電(dian)(dian)壓適合電(dian)(dian)機(ji)的(de)(de)額(e)定驅(qu)動(dong)(dong)(dong)電(dian)(dian)壓。可(ke)想而(er)知，我們(men)可(ke)以(yi)(yi)使(shi)(shi)(shi)用(yong)(yong)同一(yi)個控(kong)制器(qi)(qi)去掛接不同額(e)定電(dian)(dian)壓的(de)(de)電(dian)(dian)機(ji)，此(ci)時(shi)只需(xu)(xu)要(yao)用(yong)(yong)控(kong)制器(qi)(qi)改變一(yi)下(xia)PWM的(de)(de)占(zhan)空比就行了(le)。 另外還有一(yi)種控(kong)制方式：當微控(kong)制器(qi)(qi)的(de)(de)PWM輸出不夠(gou)用(yong)(yong)時(shi)，可(ke)以(yi)(yi)在整(zheng)個通(tong)電(dian)(dian)時(shi)序內將上臂(bei)一(yi)直導通(tong)（即上臂(bei)不使(shi)(shi)(shi)用(yong)(yong)PWM）而(er)下(xia)臂(bei)使(shi)(shi)(shi)用(yong)(yong)PWM驅(qu)動(dong)(dong)(dong)。

圖 2.6.3中連接數字(zi)和模(mo)擬(ni)轉換通道的分壓電路(lu)提供了一定速度的參考電壓，有了這個電壓，我們就可以計(ji)算PWM波形的有效值(zhi)。

（1）閉環控制

我們可以通(tong)過閉環測(ce)量當前電(dian)機(ji)的(de)(de)(de)轉速(su)(su)而達(da)到控制(zhi)電(dian)機(ji)的(de)(de)(de)轉速(su)(su)的(de)(de)(de)目(mu)的(de)(de)(de)，我們通(tong)過計算(suan)期望轉速(su)(su)和(he)實際轉速(su)(su)的(de)(de)(de)誤差，然(ran)后(hou)使用PID算(suan)法去調節PWM的(de)(de)(de)占(zhan)空比(bi)以達(da)到控制(zhi)電(dian)機(ji)轉速(su)(su)的(de)(de)(de)目(mu)的(de)(de)(de)。

對于低成本，低轉速(su)(su)的(de)應用場合，可以使用霍爾(er)傳感器獲得(de)轉速(su)(su)反饋。利用PIC18FXX31微(wei)控(kong)制器本身的(de)一個定時器去(qu)測量兩個霍爾(er)元件輸出信號，然(ran)后根據這(zhe)個信號得(de)出實際(ji)的(de)轉速(su)(su)。

在高(gao)轉(zhuan)(zhuan)速應用場合，我們可(ke)(ke)以(yi)在電(dian)機(ji)上裝(zhuang)上光(guang)(guang)電(dian)編碼(ma)器，可(ke)(ke)以(yi)利用其輸(shu)出相差90°的(de)(de)信(xin)(xin)號進行(xing)轉(zhuan)(zhuan)速和轉(zhuan)(zhuan)向的(de)(de)測量。通常，光(guang)(guang)電(dian)編碼(ma)器還(huan)可(ke)(ke)以(yi)輸(shu)出PPR信(xin)(xin)號，使(shi)得可(ke)(ke)以(yi)進行(xing)較精(jing)確的(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)子定(ding)位，編碼(ma)器的(de)(de)編碼(ma)刻度(du)可(ke)(ke)以(yi)上百甚至上千，編碼(ma)刻度(du)越多，精(jing)度(du)越高(gao)。

4、反電動勢（BACK EMF）

根據楞次(ci)定律，當BLDC轉動(dong)時(shi)其繞組(zu)會(hui)產(chan)生(sheng)與(yu)繞組(zu)兩(liang)端電(dian)(dian)(dian)壓相反(fan)(fan)方向(xiang)的反(fan)(fan)向(xiang)電(dian)(dian)(dian)壓，這就是(shi)(shi)反(fan)(fan)電(dian)(dian)(dian)動(dong)勢(shi)（BACK EMF）。記住，反(fan)(fan)電(dian)(dian)(dian)動(dong)勢(shi)和(he)繞組(zu)所(suo)加電(dian)(dian)(dian)壓是(shi)(shi)反(fan)(fan)向(xiang)的。決定反(fan)(fan)電(dian)(dian)(dian)動(dong)勢(shi)的主要因素有以下幾點(dian)：

· 轉子的角速度；

· 轉子永磁體的磁場強度；

· 每個定子繞(rao)組纏繞(rao)的(de)線圈(quan)數量(liang)。

計算反電動(dong)勢的公式(shi)： Back EMF = (E) ∝ NlBw 其(qi)中：

· N為每(mei)相繞(rao)組的線圈數(shu)量

· L轉子的長度

· B為轉子的磁(ci)通密(mi)度

· W為轉子的角速度(du)

當電(dian)(dian)(dian)機一(yi)旦做好，那么其(qi)繞組的(de)線(xian)圈數(shu)量和永磁(ci)體的(de)磁(ci)通(tong)密度就(jiu)定(ding)了，由公式可知(zhi)，唯一(yi)決(jue)定(ding)反(fan)電(dian)(dian)(dian)動勢(shi)的(de)量就(jiu)是轉子的(de)角速(su)(su)度（也可以換算為線(xian)速(su)(su)度）且角速(su)(su)度和反(fan)電(dian)(dian)(dian)動勢(shi)成正比。廠家一(yi)般會提供電(dian)(dian)(dian)機的(de)反(fan)電(dian)(dian)(dian)動勢(shi)常量，通(tong)過它我(wo)們(men)可以用(yong)來估計某一(yi)轉速(su)(su)下反(fan)電(dian)(dian)(dian)動勢(shi)的(de)大小。

繞組上的電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)等于供電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)減去反(fan)(fan)電(dian)(dian)(dian)(dian)動勢(shi)，廠家在設計電(dian)(dian)(dian)(dian)機的時(shi)候(hou)會選取(qu)適當的反(fan)(fan)電(dian)(dian)(dian)(dian)動勢(shi)常量(liang)以便(bian)電(dian)(dian)(dian)(dian)機工作(zuo)時(shi)有足夠的電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)差可以使電(dian)(dian)(dian)(dian)機達到額定轉(zhuan)速(su)并具有足夠的轉(zhuan)矩(ju)。當電(dian)(dian)(dian)(dian)機超過額定轉(zhuan)速(su)工作(zuo)時(shi)，反(fan)(fan)電(dian)(dian)(dian)(dian)動勢(shi)會持續上升，這時(shi)加在電(dian)(dian)(dian)(dian)機繞組間(jian)的有效電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)會下(xia)降，電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)會減少，扭矩(ju)會下(xia)降，當反(fan)(fan)電(dian)(dian)(dian)(dian)動勢(shi)和供電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)相等的時(shi)候(hou)，電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)降為0，扭矩(ju)為0，電(dian)(dian)(dian)(dian)機達到極限轉(zhuan)速(su)

5、無傳感器BLDC控制

目前(qian)為(wei)止，我(wo)們所討論(lun)的都(dou)是基于霍爾元(yuan)件獲取(qu)電(dian)機轉子位置的換向器控制方式，其實可以直接通過測量電(dian)機反電(dian)動勢而知道轉子的位置，在 圖 2.6.1中已經(jing)可以比較清(qing)晰的看出反電(dian)動勢和霍爾元(yuan)件輸出信號之間的關系。

通(tong)過(guo)前些章節的討論，我們可(ke)以看出(chu)在任何時(shi)候，電(dian)機的繞組都是有一(yi)(yi)相(xiang)為正向通(tong)電(dian)、一(yi)(yi)相(xiang)為反(fan)(fan)向通(tong)電(dian)和另外一(yi)(yi)相(xiang)為不通(tong)電(dian)。當某相(xiang)反(fan)(fan)電(dian)動(dong)(dong)勢(shi)反(fan)(fan)向的時(shi)候霍爾傳(chuan)感器的輸(shu)出(chu)也跟著變化。理想狀態下，霍爾元件的輸(shu)出(chu)會在相(xiang)反(fan)(fan)電(dian)動(dong)(dong)勢(shi)過(guo)零(ling)的時(shi)候發生改變，實際應用時(shi)會有一(yi)(yi)段小(xiao)的延(yan)遲(chi)，這(zhe)種(zhong)延(yan)遲(chi)可(ke)以通(tong)過(guo)微(wei)控制(zhi)器補償。

圖 3.1.1為利用反(fan)電動勢(shi)過零檢測的方式來控制BLDC。

還有一(yi)(yi)方(fang)面需要考慮：當(dang)電(dian)機(ji)轉(zhuan)(zhuan)速(su)比較低的(de)時候，反電(dian)動(dong)(dong)勢(shi)會比較小，以(yi)致過(guo)(guo)零(ling)檢(jian)測(ce)電(dian)路無法正(zheng)常檢(jian)測(ce)，這(zhe)個時候在(zai)(zai)電(dian)機(ji)啟動(dong)(dong)階段(duan)就需要使用(yong)開(kai)環控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)，當(dang)電(dian)機(ji)啟動(dong)(dong)到產生可(ke)以(yi)過(guo)(guo)零(ling)檢(jian)測(ce)的(de)反電(dian)動(dong)(dong)勢(shi)轉(zhuan)(zhuan)速(su)時，系統就需要切(qie)換到過(guo)(guo)零(ling)檢(jian)測(ce)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)模(mo)式，進行閉環控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)。最(zui)低的(de)過(guo)(guo)零(ling)檢(jian)測(ce)轉(zhuan)(zhuan)速(su)可(ke)以(yi)根據電(dian)機(ji)的(de)反電(dian)動(dong)(dong)勢(shi)常量計算出來。根據這(zhe)個原理(li)，可(ke)以(yi)去(qu)除霍爾(er)元件以(yi)及因(yin)其安(an)裝的(de)輔助磁體，這(zhe)樣(yang)就可(ke)以(yi)簡化制(zhi)(zhi)造節約成本(ben)。另外，除去(qu)了霍爾(er)元件的(de)電(dian)機(ji)可(ke)以(yi)安(an)裝在(zai)(zai)一(yi)(yi)些粉塵和油污比較大(da)的(de)地方(fang)而無須為保證霍爾(er)的(de)正(zheng)常工(gong)作(zuo)而定(ding)時進行清理(li)，與此同時，這(zhe)種免維(wei)護(hu)電(dian)機(ji)還可(ke)以(yi)安(an)裝在(zai)(zai)人很難(nan)觸及的(de)地方(fang)。

6、選擇合適的BLDC

為實際(ji)應用選擇合適(shi)的電(dian)機(ji)是至關重要的。根(gen)據電(dian)機(ji)的負(fu)載特性，需要確定合適(shi)的電(dian)機(ji)參數。其主要參數有以下幾點：

·應用是的最(zui)大扭矩要(yao)求；

·平(ping)方(fang)根(gen)(RMS)扭矩需求；

·轉速要求。

（1）最大扭矩

最(zui)大的(de)扭(niu)矩可以通過將負載扭(niu)矩、轉動慣量(liang)和摩擦力相加得到。另外，還有一些額外的(de)因素影(ying)響最(zui)大需求扭(niu)矩如：氣(qi)(qi)隙空氣(qi)(qi)的(de)阻力等(deng)，這就需要至少20%的(de)扭(niu)矩余量(liang)，綜上所述，有以下(xia)等(deng)式：

TP = (TL + TJ + TF) * 1.2

TJ為(wei)電機啟動或加速(su)過程需(xu)要克服的(de)(de)轉動力矩，其主要包(bao)括電機轉子的(de)(de)轉動力矩和負(fu)載的(de)(de)轉動力矩，其表示為(wei)：

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(dian)機的機械(xie)軸決(jue)定電(dian)機的負載力矩和摩(mo)擦力。

（2）平方根扭矩

可以近似的(de)認為(wei)平方(fang)根(gen)扭矩(ju)為(wei)實際應用中(zhong)需(xu)要的(de)持(chi)續輸出扭矩(ju)。它由很多因素(su)決定：最大扭矩(ju)、負載(zai)扭矩(ju)、轉動慣量、加(jia)速、減(jian)速以及(ji)運(yun)行時(shi)間(jian)。下(xia)面的(de)等(deng)式表示了平方(fang)根(gen)扭矩(ju)的(de)計算，其中(zhong)TA為(wei)加(jia)速時(shi)間(jian)、TD為(wei)減(jian)速時(shi)間(jian)和TR為(wei)運(yun)行時(shi)間(jian)。

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

（3）轉速

這是(shi)有(you)(you)應用需(xu)(xu)求(qiu)(qiu)(qiu)的(de)(de)(de)轉速(su)。比(bi)如(ru)，吹(chui)風機的(de)(de)(de)轉速(su)需(xu)(xu)求(qiu)(qiu)(qiu)是(shi)，最高轉速(su)和平均轉速(su)相差不大，顯然在(zai)一些點對點定位系(xi)統如(ru)傳送帶和機械臂系(xi)統中就需(xu)(xu)要(yao)大轉速(su)范(fan)圍的(de)(de)(de)電(dian)機，可以根據電(dian)機的(de)(de)(de)轉速(su)梯形曲線（）確定電(dian)機的(de)(de)(de)轉速(su)需(xu)(xu)求(qiu)(qiu)(qiu)。通常，由(you)于其(qi)他因素(su)，在(zai)計算電(dian)機轉速(su)需(xu)(xu)求(qiu)(qiu)(qiu)的(de)(de)(de)時候需(xu)(xu)要(yao)留有(you)(you)10%余(yu)量。

7、BLDC典型應用

BLDC的應(ying)用(yong)十分廣泛，如汽車、工具(ju)、工業工控、自(zi)動化(hua)以及航空(kong)航天等等。總的來說，BLDC可以分為以下三種主要用(yong)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

這種應用主(zhu)要用于那(nei)些需要一定轉(zhuan)速(su)但是(shi)對(dui)轉(zhuan)速(su)精度要求不高的(de)領域(yu)，比(bi)如風扇、抽水機、吹風氣等(deng)一類的(de)應用。通常這類應用成本(ben)比(bi)較低且多(duo)是(shi)開環控制(zhi)。

（2）可變負載應用

這(zhe)類(lei)主要(yao)(yao)指的(de)(de)是電(dian)機(ji)轉速需要(yao)(yao)在某(mou)個范圍(wei)內(nei)變化的(de)(de)應(ying)用，在這(zhe)類(lei)應(ying)用中(zhong)主要(yao)(yao)對電(dian)機(ji)的(de)(de)高(gao)轉速特性和(he)(he)動(dong)(dong)態(tai)響(xiang)應(ying)特性有(you)更(geng)高(gao)的(de)(de)要(yao)(yao)求(qiu)。家用器具中(zhong)的(de)(de)洗衣機(ji)、甩(shuai)干機(ji)和(he)(he)壓縮機(ji)就是很好的(de)(de)例子(zi)。在汽車(che)工業領(ling)域(yu)，油泵控(kong)制、電(dian)控(kong)制器、發動(dong)(dong)機(ji)控(kong)制和(he)(he)電(dian)子(zi)工具等(deng)也是很好的(de)(de)例子(zi)。在航空領(ling)域(yu)也有(you)很多(duo)的(de)(de)應(ying)用，比如離心機(ji)、泵、機(ji)械(xie)臂、陀螺(luo)儀等(deng)等(deng)。這(zhe)個領(ling)域(yu)中(zhong)多(duo)使用電(dian)機(ji)反饋器件組成半開環和(he)(he)閉環進行控(kong)制。這(zhe)就需要(yao)(yao)復雜的(de)(de)控(kong)制算法(fa)，增加(jia)了控(kong)制器的(de)(de)復雜程度也增加(jia)了系統(tong)成本。

（3）定位應用

大多數的(de)(de)(de)工業(ye)控(kong)(kong)制和(he)(he)自動控(kong)(kong)制方面的(de)(de)(de)應用(yong)屬于(yu)這(zhe)個(ge)類別(bie)(bie)。在(zai)(zai)這(zhe)些應用(yong)中往往會(hui)(hui)完成能(neng)量(liang)的(de)(de)(de)輸送(song)，如齒(chi)輪或者傳送(song)帶，因此系統對電(dian)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)轉(zhuan)速的(de)(de)(de)動態響應和(he)(he)轉(zhuan)矩(ju)有(you)(you)(you)特(te)別(bie)(bie)的(de)(de)(de)要求(qiu)，同(tong)時(shi)這(zhe)些應用(yong)也可(ke)能(neng)需(xu)要隨時(shi)的(de)(de)(de)改變電(dian)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)轉(zhuan)向，電(dian)機(ji)(ji)可(ke)能(neng)工作在(zai)(zai)勻速，加速，減少階(jie)(jie)段(duan)，而且有(you)(you)(you)可(ke)能(neng)在(zai)(zai)這(zhe)些階(jie)(jie)段(duan)中負載(zai)也在(zai)(zai)變化，所(suo)以這(zhe)對控(kong)(kong)制器提出了更高的(de)(de)(de)要求(qiu)，通(tong)常這(zhe)種控(kong)(kong)制使用(yong)閉(bi)環(huan)控(kong)(kong)制，甚至會(hui)(hui)有(you)(you)(you)扭(niu)矩(ju)環(huan)、速度環(huan)和(he)(he)位置環(huan)三(san)個(ge)控(kong)(kong)制環(huan)。測(ce)速時(shi)可(ke)能(neng)會(hui)(hui)用(yong)上光電(dian)編碼器和(he)(he)一些同(tong)步設備。有(you)(you)(you)時(shi)候這(zhe)些傳感器會(hui)(hui)被用(yong)于(yu)測(ce)量(liang)相(xiang)對位置，也有(you)(you)(you)時(shi)候用(yong)于(yu)測(ce)量(liang)絕對位置。過程控(kong)(kong)制、機(ji)(ji)械(xie)控(kong)(kong)制和(he)(he)運輸控(kong)(kong)制很多都屬于(yu)這(zhe)類應用(yong)。

8、總結

總的(de)(de)來(lai)說，無刷(shua)電(dian)(dian)機相對傳統的(de)(de)有(you)刷(shua)電(dian)(dian)機、感應(ying)電(dian)(dian)機而(er)言，它擁有(you)高的(de)(de)轉速/扭矩比、好動態特(te)性(xing)(xing)(xing)、高效(xiao)率、長壽命、低噪聲(sheng)、寬轉速范圍和制造容易等(deng)等(deng)優良特(te)性(xing)(xing)(xing)。特(te)別是去(qu)單(dan)位體積的(de)(de)功率輸出特(te)性(xing)(xing)(xing)使得(de)(de)其可(ke)以用于對尺寸(cun)和重(zhong)量(liang)敏感的(de)(de)場合。這(zhe)些(xie)優良的(de)(de)特(te)性(xing)(xing)(xing)使得(de)(de)BLDC在工業控(kong)制領域(yu)、汽車工業、航(hang)空航(hang)天等(deng)等(deng)領域(yu)有(you)著(zhu)非常廣泛(fan)的(de)(de)應(ying)用！