【直流無刷電(dian)機(ji)(ji)】直流無刷電(dian)機(ji)(ji)原理(li) 直流無刷電(dian)機(ji)(ji)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(hang)空、消(xiao)費電子(zi)(zi)、醫學電子(zi)(zi)、工(gong)業自動化等裝置和儀(yi)表。

顧名思義(yi)，BLDC不使用(yong)(yong)機(ji)械結(jie)構(gou)的換向(xiang)電刷(shua)而(er)直接(jie)使用(yong)(yong)電子換向(xiang)器，在使用(yong)(yong)中BLDC相比有刷(shua)電機(ji)有許多(duo)的優點，比如(ru)：

·能(neng)獲得更好的扭矩轉速特(te)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)扭矩和外形尺寸比使得(de)它更(geng)適(shi)合用(yong)于對(dui)電(dian)機自身重量和大小(xiao)比較敏感的(de)場合。 在這篇應(ying)用(yong)筆記中(zhong)將會對(dui)BLDC的(de)結構、基(ji)本原理、特性和應(ying)用(yong)做一系列的(de)探(tan)討(tao)。探(tan)討(tao)過程中(zhong)可(ke)能用(yong)到的(de)術語可(ke)以在附錄(lu)B“術語表”中(zhong)找到相應(ying)的(de)解(jie)釋(shi)。

2、BLDC結構和基本工作原理

BLDC屬于同步電(dian)機的(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)種，這就意味著它(ta)的(de)(de)(de)(de)(de)定子產(chan)生的(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)場和轉子產(chan)生的(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)場是(shi)同頻率的(de)(de)(de)(de)(de)，所以BLDC并不會產(chan)生普通感應電(dian)機的(de)(de)(de)(de)(de)頻差現象。BLDC中又有單(dan)相(xiang)、2相(xiang)和3相(xiang)電(dian)機的(de)(de)(de)(de)(de)區別，相(xiang)類(lei)型的(de)(de)(de)(de)(de)不同決定其(qi)定子線圈繞組的(de)(de)(de)(de)(de)多少。在這里我們將(jiang)集中討論的(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)應用最為廣泛的(de)(de)(de)(de)(de)3相(xiang)BLDC。

（1） 定子

BLDC定(ding)子(zi)是由許(xu)多硅(gui)鋼(gang)片經(jing)過(guo)疊(die)壓(ya)和軸(zhou)向沖壓(ya)而成，每個(ge)(ge)(ge)沖槽內都(dou)有一定(ding)的(de)(de)線圈組(zu)成了繞(rao)組(zu)，可以參見(jian)下圖。從傳統(tong)意義(yi)上講，BLDC的(de)(de)定(ding)子(zi)和感應(ying)電機的(de)(de)定(ding)子(zi)有點類似(si)，不過(guo)在(zai)(zai)定(ding)子(zi)繞(rao)組(zu)的(de)(de)分(fen)布(bu)上有一定(ding)的(de)(de)差別。大多數(shu)的(de)(de)BLDC定(ding)子(zi)有3個(ge)(ge)(ge)呈星行排列(lie)的(de)(de)繞(rao)組(zu)，每個(ge)(ge)(ge)繞(rao)組(zu)又由許(xu)多內部(bu)結合的(de)(de)鋼(gang)片按照一定(ding)的(de)(de)方(fang)式組(zu)成，偶(ou)數(shu)個(ge)(ge)(ge)繞(rao)組(zu)分(fen)布(bu)在(zai)(zai)定(ding)子(zi)的(de)(de)周圍組(zu)成了偶(ou)數(shu)個(ge)(ge)(ge)磁(ci)極。

圖(tu)2.1.1. BLDC內部結構(gou)

BLDC的(de)(de)定子繞(rao)(rao)組(zu)(zu)可以分(fen)為(wei)梯形和(he)正弦(xian)兩種繞(rao)(rao)組(zu)(zu)，它們的(de)(de)根本區別(bie)(bie)在于(yu)由(you)于(yu)繞(rao)(rao)組(zu)(zu)的(de)(de)不同連接方式使它們產生(sheng)的(de)(de)反(fan)(fan)電(dian)動勢（反(fan)(fan)電(dian)動勢的(de)(de)相關介紹(shao)請(qing)參(can)加EMF一節）不同，分(fen)別(bie)(bie)呈現梯形和(he)正弦(xian)波形，故(gu)用此(ci)命名(ming)了。梯形和(he)正弦(xian)繞(rao)(rao)組(zu)(zu)產生(sheng)的(de)(de)反(fan)(fan)電(dian)動勢的(de)(de)波形圖如下(xia)圖。

另外還(huan)需要(yao)對(dui)反電(dian)動勢(shi)的(de)一(yi)點(dian)說明就是繞組的(de)不同其(qi)相電(dian)流也是呈現(xian)梯(ti)形(xing)和正弦波(bo)(bo)形(xing)，可想而知(zhi)正弦繞組由(you)(you)于波(bo)(bo)形(xing)平滑所以(yi)運行(xing)起(qi)來相對(dui)梯(ti)形(xing)繞組來說就更平穩(wen)一(yi)些。但是，正弦型繞組由(you)(you)于有更多繞組使得(de)其(qi)在銅線(xian)的(de)使用(yong)上就相對(dui)梯(ti)形(xing)繞組要(yao)多。

平時由(you)于應(ying)(ying)用電(dian)壓(ya)(ya)(ya)的(de)不(bu)同，我們可(ke)(ke)以根(gen)據需要選擇不(bu)同電(dian)壓(ya)(ya)(ya)范(fan)圍的(de)無刷電(dian)機(ji)(ji)。48V及(ji)其(qi)以下應(ying)(ying)用電(dian)壓(ya)(ya)(ya)的(de)電(dian)機(ji)(ji)可(ke)(ke)以用在汽車(che)、機(ji)(ji)器(qi)人、小型機(ji)(ji)械臂等方面(mian)。100V及(ji)其(qi)以上電(dian)壓(ya)(ya)(ya)范(fan)圍的(de)電(dian)機(ji)(ji)可(ke)(ke)以用在專用器(qi)具、自動控制以及(ji)工業生產(chan)領域。

（2）轉子

定子是2至8對永磁體按照N極和S極交(jiao)替排列在(zai)轉(zhuan)子周圍構(gou)成的（內(nei)轉(zhuan)子型），如果是外轉(zhuan)子型BLDC那么就是貼在(zai)轉(zhuan)子內(nei)壁(bi)咯。如圖2.2.1所(suo)示；

圖2.2.1 轉子磁極排布(bu)

（3）霍爾傳感器

與有刷直(zhi)流電(dian)(dian)機(ji)不同，無(wu)刷直(zhi)流電(dian)(dian)機(ji)使用電(dian)(dian)子(zi)方式換(huan)向。要使BLDC轉(zhuan)(zhuan)起來，必須要按(an)照一定(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)順序(xu)給(gei)定(ding)(ding)子(zi)通(tong)(tong)電(dian)(dian)，那么我(wo)們(men)就需(xu)要知(zhi)道轉(zhuan)(zhuan)子(zi)的(de)(de)(de)(de)位置(zhi)(zhi)以(yi)便按(an)照通(tong)(tong)電(dian)(dian)次(ci)序(xu)給(gei)相(xiang)(xiang)應(ying)的(de)(de)(de)(de)定(ding)(ding)子(zi)線圈(quan)通(tong)(tong)電(dian)(dian)。定(ding)(ding)子(zi)的(de)(de)(de)(de)位置(zhi)(zhi)是由(you)嵌入到定(ding)(ding)子(zi)的(de)(de)(de)(de)霍(huo)(huo)(huo)爾傳感(gan)器感(gan)知(zhi)的(de)(de)(de)(de)。通(tong)(tong)常會安(an)排3個霍(huo)(huo)(huo)爾傳感(gan)器在轉(zhuan)(zhuan)子(zi)的(de)(de)(de)(de)旋轉(zhuan)(zhuan)路徑(jing)周圍。無(wu)論何時，只(zhi)要轉(zhuan)(zhuan)子(zi)的(de)(de)(de)(de)磁(ci)極掠(lve)過(guo)霍(huo)(huo)(huo)爾元件(jian)時，根據轉(zhuan)(zhuan)子(zi)當前(qian)磁(ci)極的(de)(de)(de)(de)極性霍(huo)(huo)(huo)爾元件(jian)會輸出對應(ying)的(de)(de)(de)(de)高或低電(dian)(dian)平(ping)，這樣只(zhi)要根據3個霍(huo)(huo)(huo)爾元件(jian)產(chan)生的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)平(ping)的(de)(de)(de)(de)時序(xu)就可以(yi)判(pan)斷當前(qian)轉(zhuan)(zhuan)子(zi)的(de)(de)(de)(de)位置(zhi)(zhi)，并相(xiang)(xiang)應(ying)的(de)(de)(de)(de)對定(ding)(ding)子(zi)繞組(zu)進(jin)行通(tong)(tong)電(dian)(dian)。

霍(huo)爾(er)效(xiao)應(ying)：當(dang)通電(dian)(dian)(dian)導(dao)(dao)體(ti)處(chu)(chu)于(yu)磁(ci)場(chang)中，由于(yu)磁(ci)場(chang)的作(zuo)用(yong)力(li)使(shi)得(de)(de)導(dao)(dao)體(ti)內的電(dian)(dian)(dian)荷(he)會向導(dao)(dao)體(ti)的一(yi)側(ce)(ce)聚集，當(dang)薄平(ping)板(ban)通電(dian)(dian)(dian)導(dao)(dao)體(ti)處(chu)(chu)于(yu)磁(ci)場(chang)中時(shi)這(zhe)種(zhong)(zhong)效(xiao)應(ying)更為明顯(xian)，這(zhe)樣一(yi)側(ce)(ce)聚集了(le)電(dian)(dian)(dian)荷(he)的導(dao)(dao)體(ti)會抵(di)消(xiao)磁(ci)場(chang)的這(zhe)種(zhong)(zhong)影響，由于(yu)電(dian)(dian)(dian)荷(he)在(zai)導(dao)(dao)體(ti)一(yi)側(ce)(ce)的聚集，從而使(shi)得(de)(de)導(dao)(dao)體(ti)兩側(ce)(ce)產生電(dian)(dian)(dian)壓(ya)，這(zhe)種(zhong)(zhong)現象(xiang)就稱(cheng)為霍(huo)爾(er)效(xiao)應(ying)，E.H霍(huo)爾(er)在(zai)1879年發現了(le)這(zhe)一(yi)現象(xiang)，故以此(ci)命名。

圖2.3.1 霍爾傳(chuan)感器測(ce)量原(yuan)理

圖 2.3.1顯示了(le)NS磁(ci)(ci)極交替(ti)排列(lie)的(de)(de)(de)轉子(zi)(zi)的(de)(de)(de)橫截面。霍(huo)爾(er)(er)元(yuan)件(jian)安放在(zai)(zai)電機的(de)(de)(de)固定位(wei)置(zhi)，將霍(huo)爾(er)(er)元(yuan)件(jian)安放到電機的(de)(de)(de)定子(zi)(zi)是比(bi)較復(fu)雜的(de)(de)(de)，因為(wei)如果安放時位(wei)置(zhi)沒有(you)和轉子(zi)(zi)的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)場(chang)相(xiang)切那么就可(ke)能導(dao)致霍(huo)爾(er)(er)元(yuan)件(jian)的(de)(de)(de)測量值不能準確(que)的(de)(de)(de)反應(ying)轉子(zi)(zi)當(dang)前的(de)(de)(de)位(wei)置(zhi)，鑒于以(yi)上原因，為(wei)了(le)簡化霍(huo)爾(er)(er)元(yuan)件(jian)的(de)(de)(de)安裝，通常(chang)在(zai)(zai)電機的(de)(de)(de)轉子(zi)(zi)上安裝一顆冗余(yu)的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)體(ti)，這個磁(ci)(ci)體(ti)專門用來感(gan)(gan)應(ying)霍(huo)爾(er)(er)元(yuan)件(jian)，這樣就能起到和轉子(zi)(zi)磁(ci)(ci)體(ti)感(gan)(gan)應(ying)的(de)(de)(de)相(xiang)同(tong)效果，霍(huo)爾(er)(er)元(yuan)件(jian)一般(ban)按照圓周安放在(zai)(zai)印刷電路板上并配備了(le)調節(jie)蓋，這樣用戶就可(ke)以(yi)根(gen)據(ju)磁(ci)(ci)場(chang)的(de)(de)(de)方向非常(chang)方便(bian)的(de)(de)(de)調節(jie)霍(huo)爾(er)(er)元(yuan)件(jian)的(de)(de)(de)位(wei)置(zhi)以(yi)便(bian)使(shi)它工作在(zai)(zai)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(ji)于這種擺放形式(shi)，BLDC的電流換向(xiang)順序(xu)由制造廠商制定，當我們控制電機的時候就需要用(yong)到這種換向(xiang)順序(xu)。

注(zhu)意(yi)：霍(huo)(huo)爾(er)元(yuan)(yuan)件的(de)電(dian)(dian)壓(ya)范圍從(cong)4V到24V不等，電(dian)(dian)流(liu)范圍從(cong)5mA到15mA不等，所以(yi)在(zai)考慮(lv)(lv)控制器時要(yao)(yao)考慮(lv)(lv)到霍(huo)(huo)爾(er)元(yuan)(yuan)件的(de)電(dian)(dian)流(liu)和電(dian)(dian)壓(ya)要(yao)(yao)求。另外，霍(huo)(huo)爾(er)元(yuan)(yuan)件輸出集電(dian)(dian)極開路，使用時需要(yao)(yao)接上拉(la)電(dian)(dian)阻。

（4）操作原理

每(mei)一(yi)次換向(xiang)都會有一(yi)組(zu)繞組(zu)處(chu)于正向(xiang)通電(dian)；第二(er)組(zu)反相(xiang)通電(dian)；第三組(zu)不(bu)通電(dian)。轉(zhuan)子(zi)永磁(ci)體的(de)磁(ci)場(chang)(chang)和(he)定(ding)子(zi)鋼片產生(sheng)的(de)磁(ci)場(chang)(chang)相(xiang)互作用就(jiu)產生(sheng)了(le)轉(zhuan)矩(ju)，理論上，當(dang)這兩(liang)個(ge)(ge)磁(ci)場(chang)(chang)夾角為(wei)90°時(shi)會產生(sheng)最大的(de)轉(zhuan)矩(ju)，當(dang)這兩(liang)個(ge)(ge)磁(ci)場(chang)(chang)重(zhong)合時(shi)轉(zhuan)矩(ju)變為(wei)0，為(wei)了(le)使轉(zhuan)子(zi)不(bu)停的(de)轉(zhuan)動，那么就(jiu)需(xu)要按順(shun)(shun)序改變定(ding)子(zi)的(de)磁(ci)場(chang)(chang)，就(jiu)像轉(zhuan)子(zi)的(de)磁(ci)場(chang)(chang)一(yi)直在追(zhui)趕定(ding)子(zi)的(de)磁(ci)場(chang)(chang)一(yi)樣。典(dian)型的(de)“六(liu)步電(dian)流換向(xiang)”順(shun)(shun)序圖(tu)展(zhan)示了(le)定(ding)子(zi)內繞組(zu)的(de)通電(dian)次序。

（5）轉矩/轉速特性

圖 2.5.1 轉(zhuan)矩和(he)(he)速(su)(su)度特(te)性顯示了轉(zhuan)矩和(he)(he)轉(zhuan)速(su)(su)特(te)性。BLDC一共(gong)有兩種轉(zhuan)矩度量：最大轉(zhuan)矩和(he)(he)額(e)定(ding)(ding)轉(zhuan)矩。當電(dian)機連續運轉(zhuan)的(de)時候表現(xian)出(chu)來(lai)的(de)就是(shi)額(e)定(ding)(ding)轉(zhuan)矩。在無刷(shua)電(dian)機達(da)到額(e)定(ding)(ding)轉(zhuan)速(su)(su)之前，轉(zhuan)矩不變，無刷(shua)電(dian)機最高轉(zhuan)速(su)(su)可以達(da)到額(e)定(ding)(ding)轉(zhuan)速(su)(su)的(de)150%，但是(shi)超速(su)(su)時電(dian)機的(de)轉(zhuan)矩會相應下降。

在實際(ji)的(de)應用中，我們(men)常常會(hui)讓(rang)帶負(fu)載的(de)電(dian)機(ji)啟(qi)動(dong)(dong)、停(ting)轉(zhuan)和逆向運(yun)行，此(ci)時(shi)就需要比額定(ding)轉(zhuan)矩(ju)(ju)更(geng)大的(de)轉(zhuan)矩(ju)(ju)。特別是當轉(zhuan)子(zi)靜止和反方向加速(su)時(shi)啟(qi)動(dong)(dong)電(dian)機(ji)，這(zhe)個時(shi)候就需要更(geng)大的(de)轉(zhuan)矩(ju)(ju)來抵消(xiao)負(fu)載和轉(zhuan)子(zi)自身的(de)慣性，這(zhe)個時(shi)候就需要提(ti)供最大的(de)轉(zhuan)矩(ju)(ju)一(yi)直(zhi)到電(dian)機(ji)進入正向轉(zhuan)矩(ju)(ju)曲線階段。

3、換向時序

圖2.6.1顯(xian)示了霍(huo)爾(er)元件的輸出、反電(dian)動(dong)勢(shi)和相電(dian)流的關系。圖2.6.2顯(xian)示了根據霍(huo)爾(er)元件輸出的波形應該繞組通電(dian)的時序。

圖2.6.1中(zhong)(zhong)(zhong)的通(tong)(tong)電序號對應的就是圖2.6.2中(zhong)(zhong)(zhong)的序號，每(mei)隔60°夾角其(qi)中(zhong)(zhong)(zhong)一個(ge)霍(huo)爾(er)元件就會改(gai)變(bian)一次其(qi)輸出特性，那么一圈（通(tong)(tong)電周(zhou)(zhou)期）下來就會有(you)6次變(bian)化，同時(shi)相(xiang)電流也(ye)會每(mei)60°改(gai)變(bian)一次。但(dan)是，每(mei)完成一個(ge)通(tong)(tong)電周(zhou)(zhou)期并不會使轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)動一周(zhou)(zhou),轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)動一周(zhou)(zhou)需要(yao)的通(tong)(tong)電周(zhou)(zhou)期數目和轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)上的磁(ci)極的對數相(xiang)關，轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)有(you)多少對磁(ci)極那么就需要(yao)多少個(ge)通(tong)(tong)電周(zhou)(zhou)期。

圖2.6.3是關(guan)于使用MCU控制(zhi)無(wu)刷電機(ji)的(de)原理圖，其中微控制(zhi)器PIC18FXX31控制(zhi)Q0-Q5組成的(de)驅動電路按照一定的(de)時序為(wei)BLDC通電，根據電機(ji)電壓和電流的(de)不同可以選擇不同的(de)驅動電路，如MOSFET、IGBT或者(zhe)直接(jie)使用雙極性三極管(guan)。

表(biao)(biao)2.6.1和表(biao)(biao)2.6.2表(biao)(biao)示的(de)(de)是(shi)基于霍爾輸入時在A、B、C繞組上的(de)(de)通電(dian)時序。表(biao)(biao)2.6.1是(shi)轉(zhuan)子(zi)順時針轉(zhuan)動的(de)(de)時序，表(biao)(biao)2.6.2是(shi)轉(zhuan)子(zi)逆時針轉(zhuan)動的(de)(de)時序。上面(mian)兩個表(biao)(biao)格顯示的(de)(de)是(shi)當霍爾元(yuan)件(jian)呈(cheng)60°排列時的(de)(de)驅動波(bo)形，前(qian)面(mian)也提(ti)到(dao)霍爾元(yuan)件(jian)還可以(yi)(yi)呈(cheng)120°的(de)(de)夾角排列，那么這個時候就(jiu)需要相應的(de)(de)驅動波(bo)形，這些波(bo)形都可以(yi)(yi)在電(dian)機生(sheng)產商的(de)(de)資(zi)料里(li)找到(dao)，應用時需要嚴格遵守通電(dian)時序。

假設(she)驅(qu)(qu)動(dong)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)和電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)運(yun)(yun)行時(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)相(xiang)等(deng)（包括驅(qu)(qu)動(dong)電(dian)(dian)(dian)路(lu)本身的(de)(de)(de)(de)(de)損耗(hao)），當(dang)PWMx按照給定(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)時(shi)(shi)(shi)序開和關時(shi)(shi)(shi)無(wu)(wu)刷電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)將會以(yi)(yi)額(e)(e)定(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)轉速旋轉。為(wei)了(le)調速，我們使(shi)(shi)用(yong)(yong)遠高(gao)(gao)于電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)運(yun)(yun)轉頻(pin)(pin)率(lv)(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)PWM波(bo)驅(qu)(qu)動(dong)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)，通(tong)常(chang)我們需要至少10倍于電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)最高(gao)(gao)頻(pin)(pin)率(lv)(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)PWM驅(qu)(qu)動(dong)波(bo)形(xing)(xing)。當(dang)PWM驅(qu)(qu)動(dong)波(bo)形(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)占(zhan)空比變化(hua)時(shi)(shi)(shi)，使(shi)(shi)得(de)其在(zai)定(ding)子(zi)上(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)有(you)(you)效(xiao)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)變化(hua)，這就實現(xian)了(le)無(wu)(wu)刷電(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)源(yuan)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)高(gao)(gao)于電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)本身的(de)(de)(de)(de)(de)額(e)(e)定(ding)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)時(shi)(shi)(shi)，我們可(ke)以(yi)(yi)調節(jie)PWM的(de)(de)(de)(de)(de)占(zhan)空比來(lai)使(shi)(shi)得(de)驅(qu)(qu)動(dong)電(dian)(dian)(dian)源(yuan)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)適合電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)額(e)(e)定(ding)驅(qu)(qu)動(dong)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)。可(ke)想而知，我們可(ke)以(yi)(yi)使(shi)(shi)用(yong)(yong)同一個控(kong)(kong)制器去掛接不(bu)同額(e)(e)定(ding)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)，此時(shi)(shi)(shi)只需要用(yong)(yong)控(kong)(kong)制器改變一下PWM的(de)(de)(de)(de)(de)占(zhan)空比就行了(le)。 另外還有(you)(you)一種控(kong)(kong)制方式：當(dang)微(wei)控(kong)(kong)制器的(de)(de)(de)(de)(de)PWM輸出不(bu)夠用(yong)(yong)時(shi)(shi)(shi)，可(ke)以(yi)(yi)在(zai)整個通(tong)電(dian)(dian)(dian)時(shi)(shi)(shi)序內將上(shang)臂一直導通(tong)（即上(shang)臂不(bu)使(shi)(shi)用(yong)(yong)PWM）而下臂使(shi)(shi)用(yong)(yong)PWM驅(qu)(qu)動(dong)。

圖(tu) 2.6.3中連(lian)接數字和(he)模擬轉換通道的(de)(de)分壓電路提供了一定速度的(de)(de)參考電壓，有了這個電壓，我們就可以計算(suan)PWM波形的(de)(de)有效值(zhi)。

（1）閉環控制

我(wo)們(men)可以通(tong)過閉環(huan)測量(liang)當前電機(ji)的(de)(de)(de)轉(zhuan)速(su)(su)而達(da)到(dao)控制電機(ji)的(de)(de)(de)轉(zhuan)速(su)(su)的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)，我(wo)們(men)通(tong)過計(ji)算期望轉(zhuan)速(su)(su)和實際轉(zhuan)速(su)(su)的(de)(de)(de)誤差，然后使(shi)用PID算法去調節PWM的(de)(de)(de)占空比以達(da)到(dao)控制電機(ji)轉(zhuan)速(su)(su)的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)。

對于低成(cheng)本，低轉速(su)的(de)應用場合，可以使用霍爾(er)傳感(gan)器獲得(de)轉速(su)反饋。利(li)用PIC18FXX31微控制器本身的(de)一個(ge)定時器去測(ce)量兩個(ge)霍爾(er)元件輸出(chu)信號，然后(hou)根據這(zhe)個(ge)信號得(de)出(chu)實際(ji)的(de)轉速(su)。

在高轉速(su)應(ying)用場合，我們可(ke)以(yi)在電(dian)機上裝上光電(dian)編(bian)(bian)(bian)碼(ma)器(qi)(qi)，可(ke)以(yi)利用其輸(shu)出(chu)(chu)相差90°的(de)信號(hao)進(jin)行(xing)轉速(su)和(he)轉向的(de)測量(liang)。通常，光電(dian)編(bian)(bian)(bian)碼(ma)器(qi)(qi)還可(ke)以(yi)輸(shu)出(chu)(chu)PPR信號(hao)，使得可(ke)以(yi)進(jin)行(xing)較精確的(de)轉子(zi)定(ding)位，編(bian)(bian)(bian)碼(ma)器(qi)(qi)的(de)編(bian)(bian)(bian)碼(ma)刻(ke)(ke)度(du)可(ke)以(yi)上百甚至(zhi)上千，編(bian)(bian)(bian)碼(ma)刻(ke)(ke)度(du)越(yue)(yue)多，精度(du)越(yue)(yue)高。

4、反電動勢（BACK EMF）

根據楞次定律(lv)，當(dang)BLDC轉動(dong)(dong)時其繞組會產生(sheng)與(yu)繞組兩端電(dian)壓(ya)相反(fan)(fan)方向(xiang)的(de)反(fan)(fan)向(xiang)電(dian)壓(ya)，這就是反(fan)(fan)電(dian)動(dong)(dong)勢(shi)（BACK EMF）。記住，反(fan)(fan)電(dian)動(dong)(dong)勢(shi)和繞組所加電(dian)壓(ya)是反(fan)(fan)向(xiang)的(de)。決定反(fan)(fan)電(dian)動(dong)(dong)勢(shi)的(de)主要因素有以下(xia)幾點：

· 轉(zhuan)子的角(jiao)速度；

· 轉(zhuan)子永磁體的磁場(chang)強度；

· 每個定子繞組纏繞的線(xian)圈數(shu)量。

計算反電動(dong)勢的(de)公式： Back EMF = (E) ∝ NlBw 其中：

· N為(wei)每相(xiang)繞組的(de)線圈數量(liang)

· L轉子的長度(du)

· B為轉子的磁通密(mi)度

· W為(wei)轉子的角速度

當電(dian)機一(yi)旦做好，那么(me)其繞組的(de)(de)線(xian)圈(quan)數(shu)量和永(yong)磁體的(de)(de)磁通密度(du)(du)就定了，由公式可(ke)(ke)(ke)知(zhi)，唯一(yi)決(jue)定反(fan)電(dian)動勢的(de)(de)量就是轉(zhuan)子的(de)(de)角速(su)度(du)(du)（也可(ke)(ke)(ke)以(yi)換(huan)算為線(xian)速(su)度(du)(du)）且角速(su)度(du)(du)和反(fan)電(dian)動勢成(cheng)正(zheng)比。廠家一(yi)般會提供電(dian)機的(de)(de)反(fan)電(dian)動勢常(chang)量，通過它我們可(ke)(ke)(ke)以(yi)用來(lai)估計某一(yi)轉(zhuan)速(su)下反(fan)電(dian)動勢的(de)(de)大(da)小。

繞組(zu)上的(de)(de)電(dian)(dian)壓(ya)等(deng)(deng)于供(gong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)壓(ya)減去反(fan)電(dian)(dian)動(dong)勢(shi)，廠家在設(she)計(ji)電(dian)(dian)機的(de)(de)時(shi)候會選(xuan)取適當(dang)的(de)(de)反(fan)電(dian)(dian)動(dong)勢(shi)常量以(yi)便電(dian)(dian)機工(gong)作時(shi)有足夠(gou)的(de)(de)電(dian)(dian)壓(ya)差可以(yi)使(shi)電(dian)(dian)機達到額(e)定(ding)轉(zhuan)速(su)并具有足夠(gou)的(de)(de)轉(zhuan)矩。當(dang)電(dian)(dian)機超過額(e)定(ding)轉(zhuan)速(su)工(gong)作時(shi)，反(fan)電(dian)(dian)動(dong)勢(shi)會持續上升，這(zhe)時(shi)加在電(dian)(dian)機繞組(zu)間(jian)的(de)(de)有效電(dian)(dian)壓(ya)會下降(jiang)，電(dian)(dian)流會減少，扭(niu)矩會下降(jiang)，當(dang)反(fan)電(dian)(dian)動(dong)勢(shi)和供(gong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)壓(ya)相等(deng)(deng)的(de)(de)時(shi)候，電(dian)(dian)流降(jiang)為(wei)0，扭(niu)矩為(wei)0，電(dian)(dian)機達到極(ji)限轉(zhuan)速(su)

5、無傳感器BLDC控制

目前為止，我們(men)所討(tao)論(lun)的都是(shi)基(ji)于霍爾元件(jian)獲(huo)取(qu)電(dian)機轉(zhuan)子(zi)位置(zhi)的換向器(qi)控制方式，其實可(ke)(ke)以(yi)直(zhi)接通(tong)過測(ce)量電(dian)機反電(dian)動(dong)勢(shi)而知道轉(zhuan)子(zi)的位置(zhi)，在 圖 2.6.1中已(yi)經可(ke)(ke)以(yi)比較清晰的看(kan)出反電(dian)動(dong)勢(shi)和霍爾元件(jian)輸出信(xin)號之間的關系。

通過(guo)前(qian)些章節(jie)的(de)(de)(de)(de)討(tao)論，我(wo)們可(ke)以看(kan)出(chu)在任何時(shi)(shi)(shi)候(hou)，電(dian)(dian)(dian)機的(de)(de)(de)(de)繞組都(dou)是有一相(xiang)為正向(xiang)(xiang)通電(dian)(dian)(dian)、一相(xiang)為反(fan)向(xiang)(xiang)通電(dian)(dian)(dian)和另外(wai)一相(xiang)為不通電(dian)(dian)(dian)。當某相(xiang)反(fan)電(dian)(dian)(dian)動(dong)勢反(fan)向(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)時(shi)(shi)(shi)候(hou)霍爾傳感器(qi)的(de)(de)(de)(de)輸(shu)出(chu)也(ye)跟著變(bian)化。理想狀態下(xia)，霍爾元件的(de)(de)(de)(de)輸(shu)出(chu)會(hui)在相(xiang)反(fan)電(dian)(dian)(dian)動(dong)勢過(guo)零(ling)的(de)(de)(de)(de)時(shi)(shi)(shi)候(hou)發(fa)生改變(bian)，實際(ji)應用時(shi)(shi)(shi)會(hui)有一段小的(de)(de)(de)(de)延遲(chi)，這種延遲(chi)可(ke)以通過(guo)微控(kong)制(zhi)器(qi)補償。

圖 3.1.1為利(li)用反電動(dong)勢過零檢測的方式來控制BLDC。

還有一方(fang)面需要考慮：當電(dian)機(ji)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)比較(jiao)低的(de)(de)(de)(de)時(shi)候，反(fan)電(dian)動勢(shi)(shi)會比較(jiao)小，以致過(guo)零(ling)檢測(ce)電(dian)路無法正(zheng)(zheng)常(chang)檢測(ce)，這個時(shi)候在(zai)電(dian)機(ji)啟動階段就需要使用開環控(kong)制(zhi)(zhi)，當電(dian)機(ji)啟動到產生可(ke)以過(guo)零(ling)檢測(ce)的(de)(de)(de)(de)反(fan)電(dian)動勢(shi)(shi)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)時(shi)，系(xi)統就需要切換到過(guo)零(ling)檢測(ce)控(kong)制(zhi)(zhi)模式，進行閉環控(kong)制(zhi)(zhi)。最低的(de)(de)(de)(de)過(guo)零(ling)檢測(ce)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)可(ke)以根據電(dian)機(ji)的(de)(de)(de)(de)反(fan)電(dian)動勢(shi)(shi)常(chang)量計算出來。根據這個原理(li)，可(ke)以去(qu)除霍爾元件以及(ji)因其安(an)裝(zhuang)的(de)(de)(de)(de)輔助(zhu)磁體，這樣就可(ke)以簡化制(zhi)(zhi)造節約成本。另外(wai)，除去(qu)了(le)霍爾元件的(de)(de)(de)(de)電(dian)機(ji)可(ke)以安(an)裝(zhuang)在(zai)一些粉塵(chen)和油污(wu)比較(jiao)大的(de)(de)(de)(de)地方(fang)而(er)無須(xu)為保證霍爾的(de)(de)(de)(de)正(zheng)(zheng)常(chang)工作而(er)定時(shi)進行清理(li)，與(yu)此同(tong)時(shi)，這種(zhong)免維(wei)護電(dian)機(ji)還可(ke)以安(an)裝(zhuang)在(zai)人很難觸(chu)及(ji)的(de)(de)(de)(de)地方(fang)。

6、選擇合適的BLDC

為實際(ji)應用選擇合(he)適的電機是至關重(zhong)要的。根據電機的負載特(te)性，需要確(que)定合(he)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(ping)方根(RMS)扭矩需求；

·轉速要求。

（1）最大扭矩

最大(da)的扭矩可以(yi)通過將負載扭矩、轉動慣量和摩擦(ca)力(li)相加得到。另(ling)外，還有(you)一些(xie)額(e)外的因素(su)影響最大(da)需(xu)求扭矩如(ru)：氣隙空(kong)氣的阻(zu)力(li)等，這就需(xu)要至少20%的扭矩余量，綜(zong)上所述，有(you)以(yi)下等式：

TP = (TL + TJ + TF) * 1.2

TJ為電機啟動(dong)或加速過程需要克服的轉動(dong)力(li)矩(ju)，其主要包括電機轉子的轉動(dong)力(li)矩(ju)和(he)負載的轉動(dong)力(li)矩(ju)，其表示為：

TJ = JL + M * α

上式中(zhong)α為加速(su)度，JL+M為定(ding)子和負載的轉動力(li)矩(ju)。 電(dian)機(ji)的機(ji)械軸決定(ding)電(dian)機(ji)的負載力(li)矩(ju)和摩(mo)擦(ca)力(li)。

（2）平方根扭矩

可以(yi)近似(si)的(de)認為平方(fang)根(gen)扭(niu)矩為實際應用中(zhong)(zhong)需要的(de)持續輸出(chu)扭(niu)矩。它由很多因素決定：最大(da)扭(niu)矩、負載扭(niu)矩、轉(zhuan)動慣量、加(jia)速(su)(su)、減速(su)(su)以(yi)及(ji)運(yun)行(xing)時(shi)間。下面(mian)的(de)等式表示了平方(fang)根(gen)扭(niu)矩的(de)計算，其中(zhong)(zhong)TA為加(jia)速(su)(su)時(shi)間、TD為減速(su)(su)時(shi)間和TR為運(yun)行(xing)時(shi)間。

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

（3）轉速

這是(shi)(shi)有應用需(xu)(xu)求的(de)轉(zhuan)(zhuan)速(su)(su)(su)。比如，吹風(feng)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)轉(zhuan)(zhuan)速(su)(su)(su)需(xu)(xu)求是(shi)(shi)，最高轉(zhuan)(zhuan)速(su)(su)(su)和(he)平均轉(zhuan)(zhuan)速(su)(su)(su)相差不大，顯然在一(yi)些點對點定位系統(tong)如傳送帶和(he)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)械(xie)臂系統(tong)中就(jiu)需(xu)(xu)要大轉(zhuan)(zhuan)速(su)(su)(su)范圍的(de)電(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)，可(ke)以根據電(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)轉(zhuan)(zhuan)速(su)(su)(su)梯形曲(qu)線（）確(que)定電(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)轉(zhuan)(zhuan)速(su)(su)(su)需(xu)(xu)求。通常，由(you)于其他因素，在計算電(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)轉(zhuan)(zhuan)速(su)(su)(su)需(xu)(xu)求的(de)時候需(xu)(xu)要留有10%余(yu)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(ye)工(gong)控(kong)、自(zi)動化以(yi)及航空(kong)航天等等。總的來(lai)說，BLDC可(ke)以(yi)分(fen)為以(yi)下(xia)三(san)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(zhe)種應(ying)(ying)用主要(yao)用于那些需要(yao)一定轉速但是(shi)對轉速精度要(yao)求不高(gao)的領(ling)域，比如風(feng)(feng)扇、抽(chou)水(shui)機、吹風(feng)(feng)氣等一類的應(ying)(ying)用。通常這(zhe)類應(ying)(ying)用成本比較低且多是(shi)開(kai)環控(kong)制(zhi)。

（2）可變負載應用

這類主要指的(de)(de)是(shi)電(dian)(dian)機(ji)轉(zhuan)速需要在某個范圍內變化的(de)(de)應(ying)用(yong)，在這類應(ying)用(yong)中(zhong)(zhong)主要對電(dian)(dian)機(ji)的(de)(de)高轉(zhuan)速特(te)性(xing)和動態響應(ying)特(te)性(xing)有更(geng)高的(de)(de)要求。家用(yong)器具(ju)中(zhong)(zhong)的(de)(de)洗衣(yi)機(ji)、甩干機(ji)和壓(ya)縮機(ji)就(jiu)是(shi)很(hen)好(hao)的(de)(de)例子。在汽車(che)工(gong)業領(ling)域，油泵控(kong)制(zhi)(zhi)、電(dian)(dian)控(kong)制(zhi)(zhi)器、發動機(ji)控(kong)制(zhi)(zhi)和電(dian)(dian)子工(gong)具(ju)等也(ye)是(shi)很(hen)好(hao)的(de)(de)例子。在航空(kong)領(ling)域也(ye)有很(hen)多(duo)的(de)(de)應(ying)用(yong)，比(bi)如離心機(ji)、泵、機(ji)械臂(bei)、陀螺儀等等。這個領(ling)域中(zhong)(zhong)多(duo)使用(yong)電(dian)(dian)機(ji)反饋器件組成(cheng)半開環(huan)(huan)和閉(bi)環(huan)(huan)進行(xing)控(kong)制(zhi)(zhi)。這就(jiu)需要復雜(za)的(de)(de)控(kong)制(zhi)(zhi)算(suan)法(fa)，增(zeng)加了控(kong)制(zhi)(zhi)器的(de)(de)復雜(za)程度也(ye)增(zeng)加了系統成(cheng)本。

（3）定位應用

大多數的工業控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)和自動控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)方面的應(ying)用(yong)屬于(yu)這個類(lei)別(bie)。在(zai)(zai)這些(xie)應(ying)用(yong)中往往會(hui)完成能(neng)(neng)量(liang)的輸送，如齒輪或者傳送帶，因此(ci)系統(tong)對(dui)電(dian)機(ji)(ji)(ji)的轉速(su)(su)的動態響應(ying)和轉矩(ju)有(you)(you)特別(bie)的要求，同(tong)時這些(xie)應(ying)用(yong)也可能(neng)(neng)需要隨時的改變電(dian)機(ji)(ji)(ji)的轉向(xiang)，電(dian)機(ji)(ji)(ji)可能(neng)(neng)工作在(zai)(zai)勻(yun)速(su)(su)，加(jia)速(su)(su)，減少階(jie)段，而且有(you)(you)可能(neng)(neng)在(zai)(zai)這些(xie)階(jie)段中負載也在(zai)(zai)變化，所以這對(dui)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)提出了更(geng)高(gao)的要求，通常(chang)這種控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)使用(yong)閉環(huan)(huan)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)，甚至會(hui)有(you)(you)扭矩(ju)環(huan)(huan)、速(su)(su)度環(huan)(huan)和位(wei)置(zhi)環(huan)(huan)三(san)個控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)環(huan)(huan)。測速(su)(su)時可能(neng)(neng)會(hui)用(yong)上光(guang)電(dian)編碼(ma)器(qi)和一些(xie)同(tong)步設備(bei)。有(you)(you)時候(hou)這些(xie)傳感器(qi)會(hui)被用(yong)于(yu)測量(liang)相對(dui)位(wei)置(zhi)，也有(you)(you)時候(hou)用(yong)于(yu)測量(liang)絕(jue)對(dui)位(wei)置(zhi)。過程控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)、機(ji)(ji)(ji)械控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)和運(yun)輸控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)很多都(dou)屬于(yu)這類(lei)應(ying)用(yong)。

8、總結

總的來說(shuo)，無(wu)刷(shua)電機(ji)相(xiang)對(dui)傳統的有刷(shua)電機(ji)、感(gan)應(ying)電機(ji)而言，它擁有高的轉速/扭(niu)矩比、好動(dong)態特(te)性(xing)、高效率、長壽(shou)命、低噪(zao)聲、寬轉速范(fan)圍(wei)和制(zhi)造(zao)容易等(deng)等(deng)優(you)良特(te)性(xing)。特(te)別是(shi)去單位(wei)體積(ji)的功(gong)率輸出(chu)特(te)性(xing)使(shi)得(de)其可(ke)以用于(yu)對(dui)尺寸和重量敏(min)感(gan)的場合。這(zhe)些優(you)良的特(te)性(xing)使(shi)得(de)BLDC在工(gong)業控(kong)制(zhi)領(ling)域、汽車工(gong)業、航空航天等(deng)等(deng)領(ling)域有著(zhu)非常(chang)廣泛的應(ying)用！