【直(zhi)(zhi)流無(wu)刷(shua)電機(ji)】直(zhi)(zhi)流無(wu)刷(shua)電機(ji)原理 直(zhi)(zhi)流無(wu)刷(shua)電機(ji)工(gong)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被廣泛的用于日常生活用具、汽車工業、航空(kong)、消費電子、醫學電子、工(gong)業(ye)自動化等裝(zhuang)置和儀表。

顧名(ming)思義，BLDC不(bu)使用機(ji)械(xie)結構的換向電刷(shua)(shua)而直接使用電子換向器(qi)，在(zai)使用中BLDC相比有(you)刷(shua)(shua)電機(ji)有(you)許多的優點，比如：

·能(neng)獲得更好的扭矩轉(zhuan)速(su)特性；

·高速動態響應；

·高效率；

·長壽命；

·低噪聲；

·高轉速。

另外，BLDC更(geng)優的(de)扭矩和外形尺(chi)寸比使得它更(geng)適合用(yong)于(yu)對電機自身重量和大小比較敏感的(de)場合。 在這篇(pian)應用(yong)筆記(ji)中將會對BLDC的(de)結(jie)構、基(ji)本原理、特性和應用(yong)做一(yi)系列的(de)探討。探討過程中可(ke)能用(yong)到的(de)術(shu)語(yu)可(ke)以在附(fu)錄B“術(shu)語(yu)表”中找到相應的(de)解釋。

2、BLDC結構和基本工作原理

BLDC屬于(yu)同步電機的(de)一種，這(zhe)就意(yi)味著它的(de)定子產生的(de)磁場(chang)和轉子產生的(de)磁場(chang)是同頻(pin)率的(de)，所以BLDC并不(bu)會產生普通(tong)感應電機的(de)頻(pin)差(cha)現(xian)象。BLDC中(zhong)又(you)有(you)單相、2相和3相電機的(de)區別，相類型的(de)不(bu)同決定其(qi)定子線圈繞組(zu)的(de)多少。在這(zhe)里我們(men)將集中(zhong)討論的(de)是應用最為廣泛的(de)3相BLDC。

（1） 定子

BLDC定(ding)(ding)(ding)子(zi)是由許(xu)多(duo)硅鋼片(pian)經過疊壓(ya)和(he)軸向沖壓(ya)而成(cheng)(cheng)(cheng)，每(mei)(mei)個沖槽內都有一(yi)(yi)(yi)定(ding)(ding)(ding)的(de)(de)(de)線圈組(zu)(zu)成(cheng)(cheng)(cheng)了(le)繞(rao)組(zu)(zu)，可以參(can)見下圖(tu)。從傳統意義上(shang)講，BLDC的(de)(de)(de)定(ding)(ding)(ding)子(zi)和(he)感應電機(ji)的(de)(de)(de)定(ding)(ding)(ding)子(zi)有點類(lei)似，不(bu)過在定(ding)(ding)(ding)子(zi)繞(rao)組(zu)(zu)的(de)(de)(de)分布上(shang)有一(yi)(yi)(yi)定(ding)(ding)(ding)的(de)(de)(de)差(cha)別。大(da)多(duo)數的(de)(de)(de)BLDC定(ding)(ding)(ding)子(zi)有3個呈星行排(pai)列的(de)(de)(de)繞(rao)組(zu)(zu)，每(mei)(mei)個繞(rao)組(zu)(zu)又由許(xu)多(duo)內部結合的(de)(de)(de)鋼片(pian)按照一(yi)(yi)(yi)定(ding)(ding)(ding)的(de)(de)(de)方式組(zu)(zu)成(cheng)(cheng)(cheng)，偶數個繞(rao)組(zu)(zu)分布在定(ding)(ding)(ding)子(zi)的(de)(de)(de)周圍組(zu)(zu)成(cheng)(cheng)(cheng)了(le)偶數個磁極。

圖(tu)2.1.1. BLDC內部結構(gou)

BLDC的(de)(de)(de)定子繞(rao)(rao)組(zu)(zu)可以分為梯形(xing)和正弦兩種繞(rao)(rao)組(zu)(zu)，它們的(de)(de)(de)根本區(qu)別在于由于繞(rao)(rao)組(zu)(zu)的(de)(de)(de)不(bu)同(tong)連(lian)接方(fang)式(shi)使它們產(chan)生的(de)(de)(de)反(fan)電(dian)動(dong)勢(shi)(shi)（反(fan)電(dian)動(dong)勢(shi)(shi)的(de)(de)(de)相關介紹(shao)請參(can)加EMF一節(jie)）不(bu)同(tong)，分別呈現(xian)梯形(xing)和正弦波(bo)形(xing)，故用(yong)此(ci)命(ming)名了。梯形(xing)和正弦繞(rao)(rao)組(zu)(zu)產(chan)生的(de)(de)(de)反(fan)電(dian)動(dong)勢(shi)(shi)的(de)(de)(de)波(bo)形(xing)圖如下圖。

另(ling)外還需要(yao)對反電(dian)(dian)動勢的(de)一點(dian)說(shuo)明就(jiu)是(shi)繞(rao)(rao)組的(de)不同其相(xiang)電(dian)(dian)流也是(shi)呈現梯(ti)形和正(zheng)弦(xian)(xian)波形，可(ke)想而知正(zheng)弦(xian)(xian)繞(rao)(rao)組由于波形平滑(hua)所以運行(xing)起來相(xiang)對梯(ti)形繞(rao)(rao)組來說(shuo)就(jiu)更平穩一些。但是(shi)，正(zheng)弦(xian)(xian)型繞(rao)(rao)組由于有(you)更多(duo)(duo)繞(rao)(rao)組使(shi)得(de)其在銅線的(de)使(shi)用(yong)上就(jiu)相(xiang)對梯(ti)形繞(rao)(rao)組要(yao)多(duo)(duo)。

平時由于應用(yong)(yong)電(dian)壓(ya)的(de)不同(tong)，我們可(ke)(ke)以(yi)根據需要選擇不同(tong)電(dian)壓(ya)范(fan)圍的(de)無刷電(dian)機。48V及其以(yi)下應用(yong)(yong)電(dian)壓(ya)的(de)電(dian)機可(ke)(ke)以(yi)用(yong)(yong)在(zai)汽車、機器(qi)人(ren)、小型機械臂(bei)等方面(mian)。100V及其以(yi)上電(dian)壓(ya)范(fan)圍的(de)電(dian)機可(ke)(ke)以(yi)用(yong)(yong)在(zai)專用(yong)(yong)器(qi)具、自動控制以(yi)及工業(ye)生產領域。

（2）轉子

定子是(shi)2至8對永(yong)磁體(ti)按照(zhao)N極(ji)和S極(ji)交替(ti)排列在轉(zhuan)子周圍(wei)構成的（內轉(zhuan)子型(xing)），如果是(shi)外轉(zhuan)子型(xing)BLDC那么就是(shi)貼(tie)在轉(zhuan)子內壁咯。如圖2.2.1所(suo)示；

圖2.2.1 轉子磁極排布

（3）霍爾傳感器

與有刷直流電(dian)(dian)機(ji)不同，無刷直流電(dian)(dian)機(ji)使用電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)方式換向。要(yao)(yao)使BLDC轉起來，必須(xu)要(yao)(yao)按照一定(ding)的(de)(de)(de)順序(xu)(xu)給(gei)定(ding)子(zi)(zi)(zi)通(tong)電(dian)(dian)，那么我們就需要(yao)(yao)知道轉子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)位置(zhi)以(yi)便按照通(tong)電(dian)(dian)次序(xu)(xu)給(gei)相(xiang)應(ying)的(de)(de)(de)定(ding)子(zi)(zi)(zi)線圈通(tong)電(dian)(dian)。定(ding)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)位置(zhi)是由(you)嵌入到定(ding)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)霍(huo)爾傳感器感知的(de)(de)(de)。通(tong)常會(hui)(hui)安排(pai)3個霍(huo)爾傳感器在轉子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)旋轉路徑周圍。無論何時，只要(yao)(yao)轉子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)磁極掠過霍(huo)爾元件時，根據轉子(zi)(zi)(zi)當(dang)前(qian)磁極的(de)(de)(de)極性霍(huo)爾元件會(hui)(hui)輸(shu)出對應(ying)的(de)(de)(de)高或低電(dian)(dian)平，這樣只要(yao)(yao)根據3個霍(huo)爾元件產生的(de)(de)(de)電(dian)(dian)平的(de)(de)(de)時序(xu)(xu)就可以(yi)判斷當(dang)前(qian)轉子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)位置(zhi)，并相(xiang)應(ying)的(de)(de)(de)對定(ding)子(zi)(zi)(zi)繞組(zu)進(jin)行通(tong)電(dian)(dian)。

霍(huo)爾效(xiao)(xiao)應：當(dang)通電(dian)導(dao)(dao)體(ti)(ti)處于(yu)磁場(chang)中(zhong)，由于(yu)磁場(chang)的作用(yong)力使得(de)導(dao)(dao)體(ti)(ti)內的電(dian)荷(he)會(hui)向導(dao)(dao)體(ti)(ti)的一(yi)側(ce)聚集(ji)，當(dang)薄平板(ban)通電(dian)導(dao)(dao)體(ti)(ti)處于(yu)磁場(chang)中(zhong)時(shi)這(zhe)種(zhong)效(xiao)(xiao)應更(geng)為(wei)明(ming)顯，這(zhe)樣一(yi)側(ce)聚集(ji)了電(dian)荷(he)的導(dao)(dao)體(ti)(ti)會(hui)抵消磁場(chang)的這(zhe)種(zhong)影(ying)響，由于(yu)電(dian)荷(he)在導(dao)(dao)體(ti)(ti)一(yi)側(ce)的聚集(ji)，從而使得(de)導(dao)(dao)體(ti)(ti)兩(liang)側(ce)產生(sheng)電(dian)壓，這(zhe)種(zhong)現(xian)象就稱為(wei)霍(huo)爾效(xiao)(xiao)應，E.H霍(huo)爾在1879年發現(xian)了這(zhe)一(yi)現(xian)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(le)NS磁(ci)極(ji)交替排列的(de)(de)(de)轉子(zi)(zi)的(de)(de)(de)橫(heng)截(jie)面。霍爾(er)元(yuan)件(jian)(jian)(jian)安(an)(an)放(fang)(fang)在(zai)電(dian)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)固定(ding)位(wei)(wei)(wei)置(zhi)(zhi)，將霍爾(er)元(yuan)件(jian)(jian)(jian)安(an)(an)放(fang)(fang)到電(dian)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)定(ding)子(zi)(zi)是比較復雜的(de)(de)(de)，因為(wei)如(ru)果(guo)安(an)(an)放(fang)(fang)時(shi)位(wei)(wei)(wei)置(zhi)(zhi)沒有和(he)轉子(zi)(zi)的(de)(de)(de)磁(ci)場相切那么就(jiu)可(ke)能導(dao)致霍爾(er)元(yuan)件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)測量值不能準確的(de)(de)(de)反應轉子(zi)(zi)當前(qian)的(de)(de)(de)位(wei)(wei)(wei)置(zhi)(zhi)，鑒于(yu)以(yi)上(shang)原因，為(wei)了(le)簡化霍爾(er)元(yuan)件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)安(an)(an)裝(zhuang)，通常在(zai)電(dian)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)轉子(zi)(zi)上(shang)安(an)(an)裝(zhuang)一顆冗余的(de)(de)(de)磁(ci)體(ti)，這(zhe)個(ge)磁(ci)體(ti)專門(men)用(yong)來(lai)感應霍爾(er)元(yuan)件(jian)(jian)(jian)，這(zhe)樣就(jiu)能起(qi)到和(he)轉子(zi)(zi)磁(ci)體(ti)感應的(de)(de)(de)相同效果(guo)，霍爾(er)元(yuan)件(jian)(jian)(jian)一般按照圓(yuan)周(zhou)安(an)(an)放(fang)(fang)在(zai)印刷電(dian)路板上(shang)并配備了(le)調(diao)節蓋，這(zhe)樣用(yong)戶(hu)就(jiu)可(ke)以(yi)根據磁(ci)場的(de)(de)(de)方向非常方便(bian)的(de)(de)(de)調(diao)節霍爾(er)元(yuan)件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)位(wei)(wei)(wei)置(zhi)(zhi)以(yi)便(bian)使(shi)它(ta)工(gong)作(zuo)在(zai)最佳狀(zhuang)態。

霍爾元件(jian)位置的(de)(de)安排上，有60°夾角和(he)120°夾角兩(liang)種(zhong)。基于這種(zhong)擺放形式，BLDC的(de)(de)電(dian)流換(huan)向順序(xu)由制造(zao)廠商制定，當我(wo)們控制電(dian)機(ji)的(de)(de)時候就需要(yao)用到這種(zhong)換(huan)向順序(xu)。

注(zhu)意：霍(huo)爾元(yuan)件(jian)的電(dian)(dian)壓范圍從4V到(dao)24V不等，電(dian)(dian)流范圍從5mA到(dao)15mA不等，所以(yi)在考(kao)慮控制器時(shi)要考(kao)慮到(dao)霍(huo)爾元(yuan)件(jian)的電(dian)(dian)流和電(dian)(dian)壓要求。另外(wai)，霍(huo)爾元(yuan)件(jian)輸出(chu)集電(dian)(dian)極開路，使(shi)用時(shi)需要接上拉(la)電(dian)(dian)阻。

（4）操作原理

每一(yi)次換(huan)(huan)向(xiang)都會(hui)有一(yi)組繞組處(chu)于正(zheng)向(xiang)通電(dian)；第二組反相(xiang)通電(dian)；第三組不通電(dian)。轉(zhuan)子(zi)(zi)(zi)永(yong)磁(ci)(ci)體的(de)(de)磁(ci)(ci)場(chang)和定子(zi)(zi)(zi)鋼片產生的(de)(de)磁(ci)(ci)場(chang)相(xiang)互作用就(jiu)(jiu)產生了(le)轉(zhuan)矩，理論上，當這兩(liang)(liang)個磁(ci)(ci)場(chang)夾角為(wei)90°時會(hui)產生最(zui)大的(de)(de)轉(zhuan)矩，當這兩(liang)(liang)個磁(ci)(ci)場(chang)重合時轉(zhuan)矩變為(wei)0，為(wei)了(le)使(shi)轉(zhuan)子(zi)(zi)(zi)不停的(de)(de)轉(zhuan)動，那么就(jiu)(jiu)需要按順序改(gai)變定子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)磁(ci)(ci)場(chang)，就(jiu)(jiu)像轉(zhuan)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)磁(ci)(ci)場(chang)一(yi)直在追趕定子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)磁(ci)(ci)場(chang)一(yi)樣。典型(xing)的(de)(de)“六(liu)步電(dian)流換(huan)(huan)向(xiang)”順序圖展示了(le)定子(zi)(zi)(zi)內繞組的(de)(de)通電(dian)次序。

（5）轉矩/轉速特性

圖 2.5.1 轉(zhuan)(zhuan)矩和(he)(he)速(su)度特性顯(xian)示了轉(zhuan)(zhuan)矩和(he)(he)轉(zhuan)(zhuan)速(su)特性。BLDC一共有兩種轉(zhuan)(zhuan)矩度量(liang)：最大轉(zhuan)(zhuan)矩和(he)(he)額(e)(e)定轉(zhuan)(zhuan)矩。當電(dian)(dian)機(ji)連續運轉(zhuan)(zhuan)的時候表現出(chu)來的就是額(e)(e)定轉(zhuan)(zhuan)矩。在無刷(shua)電(dian)(dian)機(ji)達到額(e)(e)定轉(zhuan)(zhuan)速(su)之前(qian)，轉(zhuan)(zhuan)矩不(bu)變，無刷(shua)電(dian)(dian)機(ji)最高轉(zhuan)(zhuan)速(su)可以達到額(e)(e)定轉(zhuan)(zhuan)速(su)的150%，但是超速(su)時電(dian)(dian)機(ji)的轉(zhuan)(zhuan)矩會相應下降。

在實際(ji)的(de)應用中，我們(men)常(chang)常(chang)會讓帶負載的(de)電(dian)機啟動(dong)、停(ting)轉(zhuan)(zhuan)和(he)逆向運行(xing)，此時(shi)就需(xu)要(yao)比額定轉(zhuan)(zhuan)矩更大的(de)轉(zhuan)(zhuan)矩。特別是當轉(zhuan)(zhuan)子(zi)靜(jing)止和(he)反方向加速時(shi)啟動(dong)電(dian)機，這個時(shi)候就需(xu)要(yao)更大的(de)轉(zhuan)(zhuan)矩來抵(di)消(xiao)負載和(he)轉(zhuan)(zhuan)子(zi)自(zi)身的(de)慣性(xing)，這個時(shi)候就需(xu)要(yao)提(ti)供最大的(de)轉(zhuan)(zhuan)矩一直到電(dian)機進(jin)入正向轉(zhuan)(zhuan)矩曲線階(jie)段。

3、換向時序

圖(tu)2.6.1顯(xian)示(shi)了霍爾(er)元件的(de)輸出(chu)、反電(dian)動(dong)勢和相電(dian)流的(de)關系。圖(tu)2.6.2顯(xian)示(shi)了根據霍爾(er)元件輸出(chu)的(de)波(bo)形應該繞(rao)組通(tong)電(dian)的(de)時序。

圖2.6.1中(zhong)的通(tong)(tong)(tong)電(dian)序號對應的就(jiu)(jiu)是圖2.6.2中(zhong)的序號，每(mei)隔60°夾(jia)角其(qi)中(zhong)一個霍爾元(yuan)件就(jiu)(jiu)會(hui)(hui)(hui)改(gai)變一次(ci)其(qi)輸(shu)出特性，那么一圈(quan)（通(tong)(tong)(tong)電(dian)周(zhou)期(qi)）下來(lai)就(jiu)(jiu)會(hui)(hui)(hui)有(you)6次(ci)變化，同時(shi)相電(dian)流也會(hui)(hui)(hui)每(mei)60°改(gai)變一次(ci)。但是，每(mei)完(wan)成一個通(tong)(tong)(tong)電(dian)周(zhou)期(qi)并(bing)不會(hui)(hui)(hui)使轉(zhuan)子轉(zhuan)動(dong)一周(zhou),轉(zhuan)子轉(zhuan)動(dong)一周(zhou)需(xu)要的通(tong)(tong)(tong)電(dian)周(zhou)期(qi)數(shu)目和轉(zhuan)子上(shang)的磁極的對數(shu)相關，轉(zhuan)子有(you)多少對磁極那么就(jiu)(jiu)需(xu)要多少個通(tong)(tong)(tong)電(dian)周(zhou)期(qi)。

圖(tu)2.6.3是(shi)關(guan)于使(shi)用(yong)MCU控(kong)制無(wu)刷(shua)電(dian)(dian)機的(de)原理圖(tu)，其中微控(kong)制器PIC18FXX31控(kong)制Q0-Q5組成的(de)驅動(dong)電(dian)(dian)路(lu)(lu)按照一定的(de)時序為BLDC通電(dian)(dian)，根(gen)據電(dian)(dian)機電(dian)(dian)壓和電(dian)(dian)流的(de)不同(tong)可以選擇不同(tong)的(de)驅動(dong)電(dian)(dian)路(lu)(lu)，如MOSFET、IGBT或者(zhe)直(zhi)接使(shi)用(yong)雙極性(xing)三極管。

表(biao)2.6.1和表(biao)2.6.2表(biao)示的(de)(de)是基(ji)于霍爾(er)(er)輸入時(shi)(shi)(shi)(shi)在A、B、C繞組上的(de)(de)通(tong)電(dian)時(shi)(shi)(shi)(shi)序。表(biao)2.6.1是轉子順時(shi)(shi)(shi)(shi)針(zhen)轉動(dong)(dong)的(de)(de)時(shi)(shi)(shi)(shi)序，表(biao)2.6.2是轉子逆時(shi)(shi)(shi)(shi)針(zhen)轉動(dong)(dong)的(de)(de)時(shi)(shi)(shi)(shi)序。上面兩個(ge)表(biao)格(ge)顯示的(de)(de)是當霍爾(er)(er)元件呈60°排列(lie)時(shi)(shi)(shi)(shi)的(de)(de)驅動(dong)(dong)波形(xing)，前面也提到霍爾(er)(er)元件還可以呈120°的(de)(de)夾角排列(lie)，那(nei)么(me)這(zhe)個(ge)時(shi)(shi)(shi)(shi)候就需要(yao)相(xiang)應(ying)的(de)(de)驅動(dong)(dong)波形(xing)，這(zhe)些(xie)波形(xing)都可以在電(dian)機生產商(shang)的(de)(de)資料里找到，應(ying)用時(shi)(shi)(shi)(shi)需要(yao)嚴(yan)格(ge)遵守(shou)通(tong)電(dian)時(shi)(shi)(shi)(shi)序。

假設驅(qu)(qu)(qu)動(dong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)和電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)運(yun)行時(shi)(shi)(shi)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)相等（包括(kuo)驅(qu)(qu)(qu)動(dong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路本身(shen)(shen)的(de)(de)損(sun)耗），當(dang)PWMx按照給定(ding)的(de)(de)時(shi)(shi)(shi)序(xu)開和關時(shi)(shi)(shi)無刷電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)將會(hui)以額定(ding)的(de)(de)轉速旋(xuan)轉。為(wei)了(le)(le)調速，我(wo)(wo)(wo)們使用(yong)(yong)遠高于電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)運(yun)轉頻率的(de)(de)PWM波(bo)驅(qu)(qu)(qu)動(dong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)，通常(chang)我(wo)(wo)(wo)們需(xu)要至少10倍于電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)最高頻率的(de)(de)PWM驅(qu)(qu)(qu)動(dong)波(bo)形。當(dang)PWM驅(qu)(qu)(qu)動(dong)波(bo)形的(de)(de)占(zhan)空比(bi)變化時(shi)(shi)(shi)，使得其在(zai)定(ding)子上的(de)(de)有(you)效電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)變化，這就實現(xian)了(le)(le)無刷電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)的(de)(de)調速，另外，當(dang)驅(qu)(qu)(qu)動(dong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)高于電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)本身(shen)(shen)的(de)(de)額定(ding)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)時(shi)(shi)(shi)，我(wo)(wo)(wo)們可以調節PWM的(de)(de)占(zhan)空比(bi)來使得驅(qu)(qu)(qu)動(dong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)適合電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)的(de)(de)額定(ding)驅(qu)(qu)(qu)動(dong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)。可想而(er)知，我(wo)(wo)(wo)們可以使用(yong)(yong)同(tong)一個(ge)控(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)去掛接不(bu)同(tong)額定(ding)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)，此(ci)時(shi)(shi)(shi)只需(xu)要用(yong)(yong)控(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)改(gai)變一下PWM的(de)(de)占(zhan)空比(bi)就行了(le)(le)。 另外還有(you)一種控(kong)制(zhi)(zhi)方式：當(dang)微控(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)的(de)(de)PWM輸出不(bu)夠用(yong)(yong)時(shi)(shi)(shi)，可以在(zai)整(zheng)個(ge)通電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)時(shi)(shi)(shi)序(xu)內(nei)將上臂(bei)一直導通（即上臂(bei)不(bu)使用(yong)(yong)PWM）而(er)下臂(bei)使用(yong)(yong)PWM驅(qu)(qu)(qu)動(dong)。

圖 2.6.3中連接數字和模(mo)擬轉換(huan)通道的(de)分壓電路提供了(le)一定(ding)速(su)度(du)的(de)參(can)考電壓，有了(le)這個電壓，我(wo)們就可以計算(suan)PWM波形(xing)的(de)有效值。

（1）閉環控制

我們(men)可(ke)以通過閉環測量當前電(dian)機的(de)(de)(de)轉速(su)(su)而達(da)到控(kong)制電(dian)機的(de)(de)(de)轉速(su)(su)的(de)(de)(de)目(mu)的(de)(de)(de)，我們(men)通過計算期望轉速(su)(su)和實際轉速(su)(su)的(de)(de)(de)誤(wu)差，然(ran)后使(shi)用PID算法(fa)去(qu)調節(jie)PWM的(de)(de)(de)占(zhan)空比以達(da)到控(kong)制電(dian)機轉速(su)(su)的(de)(de)(de)目(mu)的(de)(de)(de)。

對于(yu)低成本，低轉(zhuan)速(su)的應用(yong)場(chang)合，可以使用(yong)霍(huo)爾(er)傳感(gan)器獲得轉(zhuan)速(su)反饋(kui)。利用(yong)PIC18FXX31微控制器本身的一個定時器去測量(liang)兩個霍(huo)爾(er)元件輸出信(xin)號(hao)，然(ran)后根據(ju)這個信(xin)號(hao)得出實際(ji)的轉(zhuan)速(su)。

在高轉速應用(yong)(yong)場合，我們可(ke)以在電(dian)機上裝上光電(dian)編(bian)(bian)碼(ma)(ma)器，可(ke)以利用(yong)(yong)其(qi)輸(shu)(shu)出(chu)相差90°的(de)信號進(jin)行轉速和轉向(xiang)的(de)測(ce)量。通常(chang)，光電(dian)編(bian)(bian)碼(ma)(ma)器還可(ke)以輸(shu)(shu)出(chu)PPR信號，使得可(ke)以進(jin)行較精確的(de)轉子(zi)定(ding)位，編(bian)(bian)碼(ma)(ma)器的(de)編(bian)(bian)碼(ma)(ma)刻度可(ke)以上百甚至上千，編(bian)(bian)碼(ma)(ma)刻度越多，精度越高。

4、反電動勢（BACK EMF）

根據楞次定律(lv)，當(dang)BLDC轉動時其繞組會產(chan)生(sheng)與繞組兩端電(dian)(dian)壓相反方向的反向電(dian)(dian)壓，這就(jiu)是反電(dian)(dian)動勢(shi)（BACK EMF）。記住，反電(dian)(dian)動勢(shi)和(he)繞組所加電(dian)(dian)壓是反向的。決定反電(dian)(dian)動勢(shi)的主要因(yin)素(su)有以下幾點：

· 轉子(zi)的角速度(du)；

· 轉子(zi)永磁(ci)體的(de)磁(ci)場強度；

· 每個定子繞組纏(chan)繞的(de)線圈數量。

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

· N為每相繞(rao)組的線圈(quan)數(shu)量

· L轉子的長度

· B為轉子(zi)的磁通(tong)密度

· W為(wei)轉子的角速度

當電(dian)(dian)(dian)機一(yi)旦(dan)做好，那(nei)么(me)其繞組的(de)線圈數量和(he)永(yong)磁體的(de)磁通密度就(jiu)定(ding)了(le)，由公式可知，唯(wei)一(yi)決(jue)定(ding)反(fan)電(dian)(dian)(dian)動勢的(de)量就(jiu)是(shi)轉子的(de)角速度（也可以換算為(wei)線速度）且(qie)角速度和(he)反(fan)電(dian)(dian)(dian)動勢成正比。廠家一(yi)般(ban)會(hui)提(ti)供(gong)電(dian)(dian)(dian)機的(de)反(fan)電(dian)(dian)(dian)動勢常量，通過它(ta)我們(men)可以用來估計(ji)某一(yi)轉速下(xia)反(fan)電(dian)(dian)(dian)動勢的(de)大小。

繞組(zu)上(shang)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓等(deng)于供(gong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓減去反(fan)(fan)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)動(dong)勢，廠家在設(she)計電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機的(de)(de)(de)時(shi)候會(hui)選取(qu)適當的(de)(de)(de)反(fan)(fan)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)動(dong)勢常(chang)量(liang)以便(bian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機工作(zuo)時(shi)有(you)足夠的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓差可以使(shi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機達到額定轉速(su)并具有(you)足夠的(de)(de)(de)轉矩(ju)。當電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機超過額定轉速(su)工作(zuo)時(shi)，反(fan)(fan)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)動(dong)勢會(hui)持續上(shang)升，這時(shi)加(jia)在電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機繞組(zu)間的(de)(de)(de)有(you)效電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓會(hui)下降，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流會(hui)減少，扭矩(ju)會(hui)下降，當反(fan)(fan)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)動(dong)勢和(he)供(gong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓相等(deng)的(de)(de)(de)時(shi)候，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流降為(wei)0，扭矩(ju)為(wei)0，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機達到極(ji)限(xian)轉速(su)

5、無傳感器BLDC控制

目(mu)前為止，我們(men)所討論的(de)都是基于霍爾(er)元(yuan)(yuan)件獲取電(dian)(dian)機(ji)轉子位置(zhi)的(de)換向器控(kong)制(zhi)方式，其(qi)實(shi)可(ke)(ke)以直接通過測量電(dian)(dian)機(ji)反電(dian)(dian)動(dong)(dong)勢而知道(dao)轉子的(de)位置(zhi)，在 圖 2.6.1中(zhong)已經可(ke)(ke)以比較清晰的(de)看(kan)出反電(dian)(dian)動(dong)(dong)勢和(he)霍爾(er)元(yuan)(yuan)件輸出信(xin)號之間(jian)的(de)關(guan)系(xi)。

通(tong)過前些章節的(de)討論，我們(men)可(ke)(ke)以看出在任何時(shi)候，電(dian)機的(de)繞組都是有一(yi)相(xiang)(xiang)為(wei)正向通(tong)電(dian)、一(yi)相(xiang)(xiang)為(wei)反(fan)向通(tong)電(dian)和另外(wai)一(yi)相(xiang)(xiang)為(wei)不通(tong)電(dian)。當(dang)某相(xiang)(xiang)反(fan)電(dian)動(dong)勢(shi)反(fan)向的(de)時(shi)候霍(huo)爾傳感器的(de)輸出也跟著變化。理想狀態下(xia)，霍(huo)爾元件(jian)的(de)輸出會在相(xiang)(xiang)反(fan)電(dian)動(dong)勢(shi)過零的(de)時(shi)候發生改變，實際應用時(shi)會有一(yi)段小的(de)延(yan)遲，這種(zhong)延(yan)遲可(ke)(ke)以通(tong)過微控制器補(bu)償。

圖 3.1.1為利用反電動(dong)勢過零檢測的方式來控制BLDC。

還(huan)有一方面需要考慮(lv)：當電機(ji)(ji)轉(zhuan)(zhuan)速比較低的時候，反(fan)電動(dong)(dong)勢會比較小(xiao)，以(yi)致過零(ling)檢(jian)測(ce)電路(lu)無法正常(chang)(chang)檢(jian)測(ce)，這個時候在電機(ji)(ji)啟(qi)動(dong)(dong)階段就需要使用開環控(kong)(kong)(kong)制，當電機(ji)(ji)啟(qi)動(dong)(dong)到產生可(ke)(ke)以(yi)過零(ling)檢(jian)測(ce)的反(fan)電動(dong)(dong)勢轉(zhuan)(zhuan)速時，系統(tong)就需要切(qie)換到過零(ling)檢(jian)測(ce)控(kong)(kong)(kong)制模式，進行閉環控(kong)(kong)(kong)制。最低的過零(ling)檢(jian)測(ce)轉(zhuan)(zhuan)速可(ke)(ke)以(yi)根據(ju)電機(ji)(ji)的反(fan)電動(dong)(dong)勢常(chang)(chang)量計算出(chu)來。根據(ju)這個原理(li)(li)，可(ke)(ke)以(yi)去除(chu)霍(huo)爾元(yuan)件(jian)以(yi)及因其安(an)裝(zhuang)(zhuang)的輔助磁體，這樣(yang)就可(ke)(ke)以(yi)簡化制造節(jie)約成本。另外，除(chu)去了霍(huo)爾元(yuan)件(jian)的電機(ji)(ji)可(ke)(ke)以(yi)安(an)裝(zhuang)(zhuang)在一些粉塵和油污比較大的地方而(er)無須為(wei)保證霍(huo)爾的正常(chang)(chang)工(gong)作而(er)定時進行清理(li)(li)，與此(ci)同時，這種免維(wei)護電機(ji)(ji)還(huan)可(ke)(ke)以(yi)安(an)裝(zhuang)(zhuang)在人很難觸(chu)及的地方。

6、選擇合適的BLDC

為實際(ji)應用選擇(ze)合(he)適(shi)的(de)電(dian)機(ji)是至關(guan)重要的(de)。根據電(dian)機(ji)的(de)負載特性，需要確定合(he)適(shi)的(de)電(dian)機(ji)參數(shu)。其主要參數(shu)有以下幾點：

·應用是的最(zui)大扭矩要求；

·平方根(RMS)扭矩需求(qiu)；

·轉速要求。

（1）最大扭矩

最大的(de)扭(niu)矩(ju)(ju)可以通過將負載扭(niu)矩(ju)(ju)、轉動慣(guan)量(liang)和摩擦力(li)(li)相加得到。另(ling)外，還(huan)有一些額外的(de)因素影響最大需求扭(niu)矩(ju)(ju)如(ru)：氣(qi)隙空(kong)氣(qi)的(de)阻力(li)(li)等(deng)，這就需要至少20%的(de)扭(niu)矩(ju)(ju)余量(liang)，綜上所述，有以下等(deng)式：

TP = (TL + TJ + TF) * 1.2

TJ為(wei)電(dian)機啟動或加速過程需要克服的轉動力(li)矩(ju)，其主要包括電(dian)機轉子的轉動力(li)矩(ju)和負(fu)載的轉動力(li)矩(ju)，其表示為(wei)：

TJ = JL + M * α

上式中α為加速度，JL+M為定子和(he)負(fu)載(zai)的(de)轉(zhuan)動力(li)矩(ju)(ju)。 電(dian)機的(de)機械軸決(jue)定電(dian)機的(de)負(fu)載(zai)力(li)矩(ju)(ju)和(he)摩擦力(li)。

（2）平方根扭矩

可以近(jin)似的(de)(de)認(ren)為(wei)平方根扭(niu)矩為(wei)實(shi)際應用(yong)中需要的(de)(de)持續輸出扭(niu)矩。它由很(hen)多因素(su)決定：最大扭(niu)矩、負載扭(niu)矩、轉動慣量、加(jia)速、減(jian)速以及運行(xing)時(shi)間(jian)。下面的(de)(de)等式(shi)表(biao)示(shi)了(le)平方根扭(niu)矩的(de)(de)計(ji)算，其中TA為(wei)加(jia)速時(shi)間(jian)、TD為(wei)減(jian)速時(shi)間(jian)和(he)TR為(wei)運行(xing)時(shi)間(jian)。

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

（3）轉速

這(zhe)是有(you)應用需(xu)(xu)求的轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)(su)。比如，吹風機(ji)的轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)(su)需(xu)(xu)求是，最(zui)高轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)(su)和(he)平(ping)均(jun)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)(su)相(xiang)差不大(da)，顯然在一些點對點定(ding)位(wei)系統如傳送帶和(he)機(ji)械(xie)臂系統中就需(xu)(xu)要(yao)大(da)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)(su)范(fan)圍的電(dian)(dian)(dian)機(ji)，可以根據(ju)電(dian)(dian)(dian)機(ji)的轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)(su)梯形(xing)曲線(xian)（）確定(ding)電(dian)(dian)(dian)機(ji)的轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)(su)需(xu)(xu)求。通常(chang)，由于其他因(yin)素(su)，在計算電(dian)(dian)(dian)機(ji)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)(su)需(xu)(xu)求的時候需(xu)(xu)要(yao)留有(you)10%余量。

7、BLDC典型應用

BLDC的應用十分(fen)廣泛，如汽車、工(gong)具、工(gong)業工(gong)控、自(zi)動化以及航空航天等(deng)等(deng)。總(zong)的來說，BLDC可以分(fen)為(wei)以下(xia)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(zhong)應(ying)用(yong)(yong)主要用(yong)(yong)于(yu)那些需要一定轉(zhuan)速但是(shi)(shi)對轉(zhuan)速精度要求不高的領域，比(bi)如風扇(shan)、抽(chou)水(shui)機、吹風氣等一類的應(ying)用(yong)(yong)。通常這類應(ying)用(yong)(yong)成本比(bi)較低且(qie)多(duo)是(shi)(shi)開(kai)環控制(zhi)。

（2）可變負載應用

這類(lei)主要(yao)(yao)指的(de)是(shi)電(dian)機(ji)轉速(su)需要(yao)(yao)在(zai)某個范圍內變化的(de)應用(yong)(yong)，在(zai)這類(lei)應用(yong)(yong)中(zhong)主要(yao)(yao)對電(dian)機(ji)的(de)高(gao)(gao)轉速(su)特性和(he)(he)動態響應特性有(you)更高(gao)(gao)的(de)要(yao)(yao)求。家(jia)用(yong)(yong)器(qi)具(ju)(ju)中(zhong)的(de)洗衣機(ji)、甩干機(ji)和(he)(he)壓縮(suo)機(ji)就是(shi)很好的(de)例子(zi)。在(zai)汽車工業(ye)領域，油泵控(kong)制、電(dian)控(kong)制器(qi)、發動機(ji)控(kong)制和(he)(he)電(dian)子(zi)工具(ju)(ju)等也是(shi)很好的(de)例子(zi)。在(zai)航空領域也有(you)很多的(de)應用(yong)(yong)，比如離心機(ji)、泵、機(ji)械臂、陀螺(luo)儀(yi)等等。這個領域中(zhong)多使用(yong)(yong)電(dian)機(ji)反饋器(qi)件(jian)組成半開環(huan)和(he)(he)閉(bi)環(huan)進(jin)行控(kong)制。這就需要(yao)(yao)復雜的(de)控(kong)制算(suan)法(fa)，增加了控(kong)制器(qi)的(de)復雜程度也增加了系統成本。

（3）定位應用

大多數的(de)(de)(de)(de)(de)工業(ye)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)和自動(dong)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)方面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)應用(yong)(yong)(yong)屬于這(zhe)個類別。在這(zhe)些應用(yong)(yong)(yong)中往往會(hui)完成能量的(de)(de)(de)(de)(de)輸送，如齒輪或者傳(chuan)送帶(dai)，因此系(xi)統(tong)對(dui)(dui)電機的(de)(de)(de)(de)(de)轉(zhuan)速(su)的(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)態(tai)響應和轉(zhuan)矩(ju)有(you)(you)特(te)別的(de)(de)(de)(de)(de)要(yao)求，同時這(zhe)些應用(yong)(yong)(yong)也可(ke)能需要(yao)隨(sui)時的(de)(de)(de)(de)(de)改變(bian)電機的(de)(de)(de)(de)(de)轉(zhuan)向，電機可(ke)能工作在勻速(su)，加(jia)速(su)，減少(shao)階段，而且(qie)有(you)(you)可(ke)能在這(zhe)些階段中負載也在變(bian)化，所以這(zhe)對(dui)(dui)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)器(qi)(qi)(qi)提出了更高的(de)(de)(de)(de)(de)要(yao)求，通常這(zhe)種控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)使用(yong)(yong)(yong)閉環(huan)(huan)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)，甚(shen)至會(hui)有(you)(you)扭(niu)矩(ju)環(huan)(huan)、速(su)度環(huan)(huan)和位置環(huan)(huan)三個控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)環(huan)(huan)。測速(su)時可(ke)能會(hui)用(yong)(yong)(yong)上光(guang)電編碼器(qi)(qi)(qi)和一些同步設備。有(you)(you)時候(hou)這(zhe)些傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)(qi)會(hui)被用(yong)(yong)(yong)于測量相對(dui)(dui)位置，也有(you)(you)時候(hou)用(yong)(yong)(yong)于測量絕對(dui)(dui)位置。過(guo)程控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)、機械控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)和運輸控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)很多都屬于這(zhe)類應用(yong)(yong)(yong)。

8、總結

總的來說，無(wu)刷(shua)電(dian)機相(xiang)對傳(chuan)統(tong)的有(you)(you)刷(shua)電(dian)機、感(gan)應(ying)電(dian)機而言，它擁有(you)(you)高的轉速/扭矩比、好(hao)動態特(te)性(xing)、高效率(lv)、長(chang)壽命(ming)、低噪(zao)聲、寬轉速范(fan)圍(wei)和制造容易等(deng)等(deng)優(you)良特(te)性(xing)。特(te)別是去單位(wei)體(ti)積的功率(lv)輸出特(te)性(xing)使得(de)其可以用于對尺寸和重量(liang)敏感(gan)的場合。這些優(you)良的特(te)性(xing)使得(de)BLDC在工業控(kong)制領域、汽車工業、航空航天等(deng)等(deng)領域有(you)(you)著(zhu)非(fei)常廣泛的應(ying)用！