【直(zhi)流(liu)(liu)無(wu)(wu)刷(shua)電(dian)機(ji)】直(zhi)流(liu)(liu)無(wu)(wu)刷(shua)電(dian)機(ji)原理(li) 直(zhi)流(liu)(liu)無(wu)(wu)刷(shua)電(dian)機(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、航空、消費電(dian)子(zi)、醫學電(dian)子(zi)、工業自動化(hua)等裝置和儀表。

顧名(ming)思義，BLDC不使用(yong)機械(xie)結構的換(huan)向(xiang)電(dian)(dian)刷(shua)(shua)而直(zhi)接使用(yong)電(dian)(dian)子換(huan)向(xiang)器(qi)，在(zai)使用(yong)中BLDC相(xiang)比有刷(shua)(shua)電(dian)(dian)機有許多的優點，比如：

·能獲得更好(hao)的扭矩轉速(su)特性；

·高(gao)速動態響應；

·高效率；

·長壽命；

·低噪聲；

·高轉速。

另外(wai)，BLDC更(geng)優的(de)扭矩和外(wai)形(xing)尺寸(cun)比使得它更(geng)適合用于對電機自(zi)身重量和大小比較敏感的(de)場(chang)合。 在(zai)這篇應用筆記(ji)中將會對BLDC的(de)結(jie)構、基本原理、特性和應用做(zuo)一系列的(de)探討。探討過程中可能用到的(de)術語可以在(zai)附(fu)錄B“術語表”中找到相應的(de)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)一種，這(zhe)就意味著它的(de)(de)(de)定子(zi)(zi)(zi)產生的(de)(de)(de)磁場(chang)和(he)轉子(zi)(zi)(zi)產生的(de)(de)(de)磁場(chang)是(shi)同頻(pin)率的(de)(de)(de)，所以(yi)BLDC并不(bu)會產生普(pu)通感應(ying)電(dian)機(ji)的(de)(de)(de)頻(pin)差現象。BLDC中又(you)有單(dan)相(xiang)、2相(xiang)和(he)3相(xiang)電(dian)機(ji)的(de)(de)(de)區別，相(xiang)類型的(de)(de)(de)不(bu)同決(jue)定其定子(zi)(zi)(zi)線圈繞組的(de)(de)(de)多少。在這(zhe)里(li)我們將(jiang)集中討論(lun)的(de)(de)(de)是(shi)應(ying)用(yong)最為廣泛(fan)的(de)(de)(de)3相(xiang)BLDC。

（1） 定子

BLDC定(ding)子是由(you)許(xu)多(duo)硅鋼(gang)片(pian)經過疊壓(ya)和軸向沖壓(ya)而成，每(mei)個(ge)(ge)沖槽(cao)內都有(you)一(yi)定(ding)的(de)線(xian)圈組成了繞(rao)組，可(ke)以(yi)參見下圖。從(cong)傳統意義上(shang)講，BLDC的(de)定(ding)子和感應電機的(de)定(ding)子有(you)點類似，不過在定(ding)子繞(rao)組的(de)分布上(shang)有(you)一(yi)定(ding)的(de)差別。大多(duo)數的(de)BLDC定(ding)子有(you)3個(ge)(ge)呈星行排列的(de)繞(rao)組，每(mei)個(ge)(ge)繞(rao)組又由(you)許(xu)多(duo)內部結合的(de)鋼(gang)片(pian)按(an)照(zhao)一(yi)定(ding)的(de)方(fang)式組成，偶數個(ge)(ge)繞(rao)組分布在定(ding)子的(de)周(zhou)圍組成了偶數個(ge)(ge)磁極。

圖(tu)2.1.1. BLDC內(nei)部結構

BLDC的(de)(de)(de)(de)定子繞(rao)組可以分(fen)為梯(ti)形和正(zheng)弦兩種繞(rao)組，它們的(de)(de)(de)(de)根本區別在于(yu)由(you)于(yu)繞(rao)組的(de)(de)(de)(de)不同連接(jie)方式使它們產生的(de)(de)(de)(de)反(fan)電(dian)(dian)動(dong)勢（反(fan)電(dian)(dian)動(dong)勢的(de)(de)(de)(de)相關介紹請參加EMF一節）不同，分(fen)別呈現(xian)梯(ti)形和正(zheng)弦波(bo)形，故(gu)用此命名了。梯(ti)形和正(zheng)弦繞(rao)組產生的(de)(de)(de)(de)反(fan)電(dian)(dian)動(dong)勢的(de)(de)(de)(de)波(bo)形圖如(ru)下圖。

另(ling)外還需要對反電動勢的一(yi)點(dian)說明就(jiu)是(shi)(shi)繞組的不同其相電流(liu)也是(shi)(shi)呈現梯(ti)形和正(zheng)(zheng)弦(xian)(xian)波形，可想而知正(zheng)(zheng)弦(xian)(xian)繞組由(you)(you)于波形平(ping)滑所以運行起來相對梯(ti)形繞組來說就(jiu)更平(ping)穩一(yi)些(xie)。但是(shi)(shi)，正(zheng)(zheng)弦(xian)(xian)型繞組由(you)(you)于有(you)更多繞組使得(de)其在銅線(xian)的使用(yong)上就(jiu)相對梯(ti)形繞組要多。

平時由(you)于應用(yong)電壓(ya)的不(bu)同(tong)，我們可(ke)以根據需要選擇不(bu)同(tong)電壓(ya)范圍(wei)的無刷(shua)電機。48V及(ji)其以下應用(yong)電壓(ya)的電機可(ke)以用(yong)在(zai)汽車、機器人、小(xiao)型機械臂等方(fang)面。100V及(ji)其以上電壓(ya)范圍(wei)的電機可(ke)以用(yong)在(zai)專用(yong)器具、自動(dong)控制以及(ji)工業(ye)生產(chan)領域。

（2）轉子

定子是(shi)(shi)2至8對永磁體按(an)照N極(ji)和(he)S極(ji)交替(ti)排列在轉子周圍構成的（內轉子型(xing)），如果是(shi)(shi)外轉子型(xing)BLDC那么就是(shi)(shi)貼(tie)在轉子內壁咯。如圖2.2.1所示；

圖2.2.1 轉子磁(ci)極(ji)排(pai)布

（3）霍爾傳感器

與有刷直流(liu)電(dian)機(ji)不(bu)同，無(wu)刷直流(liu)電(dian)機(ji)使(shi)用電(dian)子(zi)方式換向。要(yao)(yao)使(shi)BLDC轉(zhuan)(zhuan)起來，必須要(yao)(yao)按照一定的(de)(de)(de)順序(xu)給定子(zi)通(tong)電(dian)，那么我們就需要(yao)(yao)知道(dao)轉(zhuan)(zhuan)子(zi)的(de)(de)(de)位(wei)(wei)置以便按照通(tong)電(dian)次序(xu)給相應的(de)(de)(de)定子(zi)線圈通(tong)電(dian)。定子(zi)的(de)(de)(de)位(wei)(wei)置是由嵌入到(dao)定子(zi)的(de)(de)(de)霍(huo)爾傳感(gan)器感(gan)知的(de)(de)(de)。通(tong)常會安排3個霍(huo)爾傳感(gan)器在轉(zhuan)(zhuan)子(zi)的(de)(de)(de)旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)路徑周圍。無(wu)論何(he)時，只要(yao)(yao)轉(zhuan)(zhuan)子(zi)的(de)(de)(de)磁極掠過(guo)霍(huo)爾元(yuan)件(jian)時，根據轉(zhuan)(zhuan)子(zi)當(dang)前磁極的(de)(de)(de)極性霍(huo)爾元(yuan)件(jian)會輸出對應的(de)(de)(de)高或低電(dian)平，這樣只要(yao)(yao)根據3個霍(huo)爾元(yuan)件(jian)產生的(de)(de)(de)電(dian)平的(de)(de)(de)時序(xu)就可(ke)以判斷當(dang)前轉(zhuan)(zhuan)子(zi)的(de)(de)(de)位(wei)(wei)置，并相應的(de)(de)(de)對定子(zi)繞組進行(xing)通(tong)電(dian)。

霍(huo)(huo)爾效(xiao)應：當通電導(dao)體(ti)(ti)處于磁場(chang)(chang)中(zhong)，由于磁場(chang)(chang)的(de)(de)(de)作用力(li)使得(de)導(dao)體(ti)(ti)內的(de)(de)(de)電荷(he)會向(xiang)導(dao)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)一(yi)側(ce)聚(ju)集(ji)(ji)，當薄平板通電導(dao)體(ti)(ti)處于磁場(chang)(chang)中(zhong)時這種(zhong)效(xiao)應更(geng)為明顯，這樣一(yi)側(ce)聚(ju)集(ji)(ji)了電荷(he)的(de)(de)(de)導(dao)體(ti)(ti)會抵消磁場(chang)(chang)的(de)(de)(de)這種(zhong)影(ying)響，由于電荷(he)在(zai)導(dao)體(ti)(ti)一(yi)側(ce)的(de)(de)(de)聚(ju)集(ji)(ji)，從(cong)而使得(de)導(dao)體(ti)(ti)兩(liang)側(ce)產生電壓，這種(zhong)現象就稱為霍(huo)(huo)爾效(xiao)應，E.H霍(huo)(huo)爾在(zai)1879年發現了這一(yi)現象，故以(yi)此(ci)命名。

圖2.3.1 霍爾(er)傳感器測量原理

圖 2.3.1顯示了NS磁(ci)極交替排列的(de)(de)(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)子(zi)的(de)(de)(de)(de)橫截面。霍(huo)爾元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)件(jian)安(an)放在電機(ji)的(de)(de)(de)(de)固定位置(zhi)，將霍(huo)爾元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)件(jian)安(an)放到(dao)電機(ji)的(de)(de)(de)(de)定子(zi)是比(bi)較復雜的(de)(de)(de)(de)，因(yin)為如果安(an)放時(shi)位置(zhi)沒(mei)有和轉(zhuan)(zhuan)子(zi)的(de)(de)(de)(de)磁(ci)場相(xiang)切那么就(jiu)可(ke)能導(dao)致霍(huo)爾元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)件(jian)的(de)(de)(de)(de)測量(liang)值不能準確的(de)(de)(de)(de)反應轉(zhuan)(zhuan)子(zi)當(dang)前(qian)的(de)(de)(de)(de)位置(zhi)，鑒于(yu)以(yi)上原因(yin)，為了簡化霍(huo)爾元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)件(jian)的(de)(de)(de)(de)安(an)裝(zhuang)，通常在電機(ji)的(de)(de)(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)子(zi)上安(an)裝(zhuang)一顆冗余的(de)(de)(de)(de)磁(ci)體，這(zhe)個(ge)磁(ci)體專門用來感應霍(huo)爾元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)件(jian)，這(zhe)樣就(jiu)能起(qi)到(dao)和轉(zhuan)(zhuan)子(zi)磁(ci)體感應的(de)(de)(de)(de)相(xiang)同效果，霍(huo)爾元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)件(jian)一般(ban)按照(zhao)圓周安(an)放在印(yin)刷電路板(ban)上并配備了調(diao)節(jie)(jie)蓋，這(zhe)樣用戶就(jiu)可(ke)以(yi)根(gen)據磁(ci)場的(de)(de)(de)(de)方向(xiang)非常方便的(de)(de)(de)(de)調(diao)節(jie)(jie)霍(huo)爾元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)件(jian)的(de)(de)(de)(de)位置(zhi)以(yi)便使它工作(zuo)在最(zui)佳狀態。

霍爾元件(jian)位(wei)置的(de)安排上，有60°夾角和120°夾角兩種(zhong)(zhong)。基(ji)于這種(zhong)(zhong)擺放形(xing)式(shi)，BLDC的(de)電流(liu)換向順序(xu)由制造(zao)廠商制定，當我們(men)控制電機的(de)時候就需(xu)要用(yong)到這種(zhong)(zhong)換向順序(xu)。

注意：霍(huo)爾元(yuan)件的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓范(fan)圍(wei)從(cong)4V到(dao)24V不等，電(dian)(dian)(dian)(dian)流范(fan)圍(wei)從(cong)5mA到(dao)15mA不等，所以在(zai)考(kao)慮控制(zhi)器時要考(kao)慮到(dao)霍(huo)爾元(yuan)件的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)流和電(dian)(dian)(dian)(dian)壓要求。另外，霍(huo)爾元(yuan)件輸出集電(dian)(dian)(dian)(dian)極開路，使用時需要接上拉電(dian)(dian)(dian)(dian)阻。

（4）操作原理

每一次(ci)換(huan)向都會有一組(zu)繞組(zu)處于正向通(tong)(tong)電；第(di)二組(zu)反相(xiang)(xiang)通(tong)(tong)電；第(di)三組(zu)不通(tong)(tong)電。轉(zhuan)子(zi)(zi)永磁(ci)(ci)(ci)(ci)體(ti)的磁(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)和定子(zi)(zi)鋼(gang)片(pian)產(chan)生(sheng)的磁(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)相(xiang)(xiang)互(hu)作用就產(chan)生(sheng)了(le)轉(zhuan)矩，理論上(shang)，當(dang)這兩個磁(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)夾(jia)角為90°時會產(chan)生(sheng)最大的轉(zhuan)矩，當(dang)這兩個磁(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)重合時轉(zhuan)矩變為0，為了(le)使轉(zhuan)子(zi)(zi)不停的轉(zhuan)動(dong)，那(nei)么就需要按順序改變定子(zi)(zi)的磁(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)，就像轉(zhuan)子(zi)(zi)的磁(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)一直在追(zhui)趕定子(zi)(zi)的磁(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)一樣。典(dian)型的“六步電流(liu)換(huan)向”順序圖展示了(le)定子(zi)(zi)內(nei)繞組(zu)的通(tong)(tong)電次(ci)序。

（5）轉矩/轉速特性

圖 2.5.1 轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)矩(ju)(ju)和(he)速(su)(su)度特性(xing)顯示了轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)矩(ju)(ju)和(he)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)(su)特性(xing)。BLDC一共有兩種轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)矩(ju)(ju)度量(liang)：最大轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)矩(ju)(ju)和(he)額(e)定(ding)(ding)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)矩(ju)(ju)。當電機(ji)(ji)連續運轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)的時候表現出來的就(jiu)是額(e)定(ding)(ding)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)矩(ju)(ju)。在無(wu)刷(shua)電機(ji)(ji)達(da)到額(e)定(ding)(ding)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)(su)之前，轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)矩(ju)(ju)不變，無(wu)刷(shua)電機(ji)(ji)最高(gao)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)(su)可以達(da)到額(e)定(ding)(ding)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)(su)的150%，但是超速(su)(su)時電機(ji)(ji)的轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)矩(ju)(ju)會相應下降(jiang)。

在(zai)實際的(de)應用(yong)中，我們常(chang)常(chang)會讓帶負載(zai)的(de)電機(ji)(ji)啟動、停轉和逆向(xiang)運行，此時就(jiu)需(xu)(xu)要(yao)(yao)比(bi)額定轉矩更(geng)大的(de)轉矩。特別是當轉子靜止和反方(fang)向(xiang)加速時啟動電機(ji)(ji)，這(zhe)個(ge)時候就(jiu)需(xu)(xu)要(yao)(yao)更(geng)大的(de)轉矩來(lai)抵消負載(zai)和轉子自身的(de)慣性，這(zhe)個(ge)時候就(jiu)需(xu)(xu)要(yao)(yao)提供最大的(de)轉矩一直到電機(ji)(ji)進(jin)入正向(xiang)轉矩曲線(xian)階段。

3、換向時序

圖2.6.1顯示(shi)了霍(huo)爾(er)元件(jian)的(de)(de)輸出、反電動勢(shi)和相電流(liu)的(de)(de)關系。圖2.6.2顯示(shi)了根(gen)據霍(huo)爾(er)元件(jian)輸出的(de)(de)波形應該(gai)繞組通(tong)電的(de)(de)時序。

圖(tu)2.6.1中(zhong)的(de)通(tong)電(dian)序號對應的(de)就是(shi)(shi)圖(tu)2.6.2中(zhong)的(de)序號，每隔(ge)60°夾角其中(zhong)一(yi)個霍爾元件就會改變(bian)一(yi)次(ci)其輸出特性，那(nei)么一(yi)圈(quan)（通(tong)電(dian)周期(qi)）下來就會有(you)6次(ci)變(bian)化，同時相電(dian)流也(ye)會每60°改變(bian)一(yi)次(ci)。但(dan)是(shi)(shi)，每完成一(yi)個通(tong)電(dian)周期(qi)并不會使轉子(zi)(zi)(zi)轉動一(yi)周,轉子(zi)(zi)(zi)轉動一(yi)周需要的(de)通(tong)電(dian)周期(qi)數目和轉子(zi)(zi)(zi)上的(de)磁極的(de)對數相關，轉子(zi)(zi)(zi)有(you)多(duo)少對磁極那(nei)么就需要多(duo)少個通(tong)電(dian)周期(qi)。

圖2.6.3是關于使(shi)用MCU控制無刷電(dian)機的(de)原理圖，其中微控制器PIC18FXX31控制Q0-Q5組成的(de)驅(qu)動電(dian)路按照一定(ding)的(de)時(shi)序為BLDC通電(dian)，根(gen)據電(dian)機電(dian)壓和電(dian)流的(de)不同(tong)可以(yi)選擇不同(tong)的(de)驅(qu)動電(dian)路，如MOSFET、IGBT或者直接(jie)使(shi)用雙極性三極管。

表2.6.1和(he)表2.6.2表示(shi)(shi)的(de)是基于(yu)霍(huo)爾(er)輸入時(shi)(shi)(shi)在A、B、C繞組(zu)上的(de)通電(dian)時(shi)(shi)(shi)序(xu)(xu)。表2.6.1是轉(zhuan)子順時(shi)(shi)(shi)針轉(zhuan)動(dong)的(de)時(shi)(shi)(shi)序(xu)(xu)，表2.6.2是轉(zhuan)子逆時(shi)(shi)(shi)針轉(zhuan)動(dong)的(de)時(shi)(shi)(shi)序(xu)(xu)。上面兩(liang)個表格顯示(shi)(shi)的(de)是當霍(huo)爾(er)元件(jian)呈60°排(pai)(pai)列時(shi)(shi)(shi)的(de)驅動(dong)波(bo)形，前面也提到(dao)霍(huo)爾(er)元件(jian)還可以呈120°的(de)夾角排(pai)(pai)列，那么(me)這個時(shi)(shi)(shi)候(hou)就需要相(xiang)應的(de)驅動(dong)波(bo)形，這些波(bo)形都(dou)可以在電(dian)機(ji)生產商(shang)的(de)資料里找到(dao)，應用時(shi)(shi)(shi)需要嚴(yan)格遵守通電(dian)時(shi)(shi)(shi)序(xu)(xu)。

假設驅(qu)(qu)動(dong)(dong)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓和電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)運行時(shi)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓相等（包括驅(qu)(qu)動(dong)(dong)電(dian)(dian)(dian)(dian)路本身(shen)的(de)(de)(de)損耗），當(dang)PWMx按(an)照給定(ding)的(de)(de)(de)時(shi)序開和關時(shi)無(wu)刷電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)將(jiang)會以(yi)額(e)定(ding)的(de)(de)(de)轉速旋轉。為了調(diao)速，我們(men)使(shi)用(yong)遠高于(yu)電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)運轉頻(pin)率的(de)(de)(de)PWM波(bo)(bo)驅(qu)(qu)動(dong)(dong)電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)，通常我們(men)需(xu)要至少10倍于(yu)電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)最高頻(pin)率的(de)(de)(de)PWM驅(qu)(qu)動(dong)(dong)波(bo)(bo)形(xing)。當(dang)PWM驅(qu)(qu)動(dong)(dong)波(bo)(bo)形(xing)的(de)(de)(de)占(zhan)空比變化時(shi)，使(shi)得其在定(ding)子上的(de)(de)(de)有效電(dian)(dian)(dian)(dian)壓變化，這就(jiu)實現了無(wu)刷電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)調(diao)速，另外(wai)，當(dang)驅(qu)(qu)動(dong)(dong)電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓高于(yu)電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)本身(shen)的(de)(de)(de)額(e)定(ding)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓時(shi)，我們(men)可(ke)以(yi)調(diao)節PWM的(de)(de)(de)占(zhan)空比來使(shi)得驅(qu)(qu)動(dong)(dong)電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓適合電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)額(e)定(ding)驅(qu)(qu)動(dong)(dong)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓。可(ke)想而知，我們(men)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)同一(yi)個控制(zhi)(zhi)器去掛接不同額(e)定(ding)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)，此時(shi)只(zhi)需(xu)要用(yong)控制(zhi)(zhi)器改變一(yi)下(xia)PWM的(de)(de)(de)占(zhan)空比就(jiu)行了。 另外(wai)還有一(yi)種控制(zhi)(zhi)方式：當(dang)微控制(zhi)(zhi)器的(de)(de)(de)PWM輸出不夠用(yong)時(shi)，可(ke)以(yi)在整個通電(dian)(dian)(dian)(dian)時(shi)序內將(jiang)上臂一(yi)直導通（即(ji)上臂不使(shi)用(yong)PWM）而下(xia)臂使(shi)用(yong)PWM驅(qu)(qu)動(dong)(dong)。

圖 2.6.3中(zhong)連接數字和模擬轉(zhuan)換通道的(de)分壓電(dian)(dian)路提供了(le)一定速度(du)的(de)參考電(dian)(dian)壓，有了(le)這個電(dian)(dian)壓，我們就可以(yi)計(ji)算PWM波(bo)形的(de)有效(xiao)值。

（1）閉環控制

我(wo)們(men)(men)可以(yi)通過閉(bi)環測(ce)量當(dang)前電機的(de)轉(zhuan)(zhuan)速而(er)達到(dao)控制電機的(de)轉(zhuan)(zhuan)速的(de)目的(de)，我(wo)們(men)(men)通過計算(suan)期望轉(zhuan)(zhuan)速和(he)實際轉(zhuan)(zhuan)速的(de)誤差，然后使(shi)用PID算(suan)法去調節PWM的(de)占空(kong)比以(yi)達到(dao)控制電機轉(zhuan)(zhuan)速的(de)目的(de)。

對于低成本，低轉(zhuan)(zhuan)速(su)的(de)應(ying)用場合(he)，可以使用霍爾(er)傳感器(qi)獲得(de)轉(zhuan)(zhuan)速(su)反饋(kui)。利用PIC18FXX31微控制器(qi)本身的(de)一個定時器(qi)去測量兩個霍爾(er)元件輸(shu)出信(xin)號，然后根據這個信(xin)號得(de)出實際的(de)轉(zhuan)(zhuan)速(su)。

在(zai)高(gao)轉(zhuan)(zhuan)速應用場合(he)，我們可以(yi)在(zai)電機上(shang)裝(zhuang)上(shang)光(guang)電編(bian)碼(ma)器(qi)，可以(yi)利用其輸出(chu)相差(cha)90°的(de)信(xin)號(hao)進行轉(zhuan)(zhuan)速和(he)轉(zhuan)(zhuan)向(xiang)的(de)測(ce)量。通常，光(guang)電編(bian)碼(ma)器(qi)還可以(yi)輸出(chu)PPR信(xin)號(hao)，使(shi)得可以(yi)進行較精確的(de)轉(zhuan)(zhuan)子定位，編(bian)碼(ma)器(qi)的(de)編(bian)碼(ma)刻度可以(yi)上(shang)百甚至上(shang)千，編(bian)碼(ma)刻度越多，精度越高(gao)。

4、反電動勢（BACK EMF）

根(gen)據楞次定律，當BLDC轉動(dong)時(shi)其(qi)繞(rao)組會產(chan)生(sheng)與繞(rao)組兩端電(dian)(dian)壓相(xiang)反(fan)(fan)方向(xiang)(xiang)的(de)反(fan)(fan)向(xiang)(xiang)電(dian)(dian)壓，這就是反(fan)(fan)電(dian)(dian)動(dong)勢（BACK EMF）。記住(zhu)，反(fan)(fan)電(dian)(dian)動(dong)勢和繞(rao)組所加電(dian)(dian)壓是反(fan)(fan)向(xiang)(xiang)的(de)。決(jue)定反(fan)(fan)電(dian)(dian)動(dong)勢的(de)主要因(yin)素有以下幾(ji)點：

· 轉子的角速度；

· 轉子永(yong)磁(ci)體的磁(ci)場強度；

· 每個定子繞(rao)(rao)組纏(chan)繞(rao)(rao)的線圈(quan)數量。

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

· N為每相繞(rao)組的線(xian)圈(quan)數量

· L轉子的長度

· B為(wei)轉子的(de)磁通密度

· W為轉(zhuan)子的角速度

當電(dian)(dian)機一旦做好，那(nei)么其(qi)繞(rao)組(zu)的(de)線圈數(shu)量(liang)(liang)和(he)永磁體的(de)磁通密度就(jiu)定(ding)了，由公式(shi)可知(zhi)，唯一決定(ding)反電(dian)(dian)動(dong)勢(shi)的(de)量(liang)(liang)就(jiu)是轉(zhuan)子(zi)的(de)角(jiao)速(su)(su)度（也可以換算為(wei)線速(su)(su)度）且角(jiao)速(su)(su)度和(he)反電(dian)(dian)動(dong)勢(shi)成正比。廠家一般會提供電(dian)(dian)機的(de)反電(dian)(dian)動(dong)勢(shi)常量(liang)(liang)，通過它我們(men)可以用來估計(ji)某一轉(zhuan)速(su)(su)下反電(dian)(dian)動(dong)勢(shi)的(de)大小。

繞組上的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)等(deng)于供(gong)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)減(jian)去反電(dian)(dian)(dian)動(dong)(dong)勢(shi)，廠家在(zai)(zai)設(she)計電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)的(de)(de)時候會(hui)選取適當(dang)(dang)的(de)(de)反電(dian)(dian)(dian)動(dong)(dong)勢(shi)常量以便電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)工作時有足(zu)夠的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)差(cha)可以使電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)達(da)到(dao)額定(ding)(ding)轉(zhuan)速并具(ju)有足(zu)夠的(de)(de)轉(zhuan)矩。當(dang)(dang)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)超過額定(ding)(ding)轉(zhuan)速工作時，反電(dian)(dian)(dian)動(dong)(dong)勢(shi)會(hui)持續上升，這(zhe)時加在(zai)(zai)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)繞組間的(de)(de)有效電(dian)(dian)(dian)壓(ya)會(hui)下降(jiang)，電(dian)(dian)(dian)流會(hui)減(jian)少，扭(niu)矩會(hui)下降(jiang)，當(dang)(dang)反電(dian)(dian)(dian)動(dong)(dong)勢(shi)和供(gong)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)相等(deng)的(de)(de)時候，電(dian)(dian)(dian)流降(jiang)為(wei)0，扭(niu)矩為(wei)0，電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)達(da)到(dao)極(ji)限轉(zhuan)速

5、無傳感器BLDC控制

目前(qian)為止，我們所討論的(de)都是基于霍(huo)爾(er)元件(jian)獲取電機轉(zhuan)子位置的(de)換向器(qi)控制方式，其(qi)實可以(yi)直接(jie)通過測量電機反(fan)電動(dong)勢而知(zhi)道轉(zhuan)子的(de)位置，在 圖(tu) 2.6.1中已經可以(yi)比較(jiao)清(qing)晰(xi)的(de)看出(chu)反(fan)電動(dong)勢和霍(huo)爾(er)元件(jian)輸出(chu)信號之間的(de)關系。

通(tong)過前些章節(jie)的(de)討論，我們可以看出在任何時(shi)候，電機的(de)繞(rao)組都是有一(yi)相(xiang)為(wei)正向(xiang)(xiang)通(tong)電、一(yi)相(xiang)為(wei)反向(xiang)(xiang)通(tong)電和(he)另外(wai)一(yi)相(xiang)為(wei)不通(tong)電。當某相(xiang)反電動勢反向(xiang)(xiang)的(de)時(shi)候霍(huo)爾(er)傳感(gan)器(qi)的(de)輸(shu)出也(ye)跟著變(bian)(bian)化。理(li)想(xiang)狀態下，霍(huo)爾(er)元(yuan)件的(de)輸(shu)出會在相(xiang)反電動勢過零的(de)時(shi)候發(fa)生改(gai)變(bian)(bian)，實際應用時(shi)會有一(yi)段小的(de)延(yan)遲，這種延(yan)遲可以通(tong)過微控制器(qi)補償。

圖 3.1.1為利用反電(dian)動(dong)勢過零檢測(ce)的方式來控制BLDC。

還有一方(fang)面需(xu)要考慮：當電(dian)(dian)機(ji)轉(zhuan)速(su)比較(jiao)(jiao)低的(de)時(shi)候(hou)，反(fan)(fan)電(dian)(dian)動(dong)勢(shi)會比較(jiao)(jiao)小，以致(zhi)過(guo)零(ling)(ling)檢(jian)測電(dian)(dian)路無法正(zheng)常(chang)(chang)檢(jian)測，這(zhe)個(ge)時(shi)候(hou)在(zai)電(dian)(dian)機(ji)啟動(dong)階(jie)段就需(xu)要使用開環控(kong)制(zhi)，當電(dian)(dian)機(ji)啟動(dong)到產生可(ke)(ke)以過(guo)零(ling)(ling)檢(jian)測的(de)反(fan)(fan)電(dian)(dian)動(dong)勢(shi)轉(zhuan)速(su)時(shi)，系統就需(xu)要切換(huan)到過(guo)零(ling)(ling)檢(jian)測控(kong)制(zhi)模式，進行(xing)閉環控(kong)制(zhi)。最(zui)低的(de)過(guo)零(ling)(ling)檢(jian)測轉(zhuan)速(su)可(ke)(ke)以根(gen)據(ju)電(dian)(dian)機(ji)的(de)反(fan)(fan)電(dian)(dian)動(dong)勢(shi)常(chang)(chang)量計算出來。根(gen)據(ju)這(zhe)個(ge)原理(li)，可(ke)(ke)以去除(chu)霍(huo)爾(er)元件以及因(yin)其安(an)裝(zhuang)(zhuang)的(de)輔助磁體(ti)，這(zhe)樣就可(ke)(ke)以簡化制(zhi)造節約成本。另外，除(chu)去了霍(huo)爾(er)元件的(de)電(dian)(dian)機(ji)可(ke)(ke)以安(an)裝(zhuang)(zhuang)在(zai)一些粉(fen)塵和(he)油污(wu)比較(jiao)(jiao)大的(de)地方(fang)而無須(xu)為保證霍(huo)爾(er)的(de)正(zheng)常(chang)(chang)工(gong)作而定時(shi)進行(xing)清(qing)理(li)，與此同時(shi)，這(zhe)種免維(wei)護(hu)電(dian)(dian)機(ji)還可(ke)(ke)以安(an)裝(zhuang)(zhuang)在(zai)人很難觸及的(de)地方(fang)。

6、選擇合適的BLDC

為實(shi)際應用選擇合(he)適的(de)電機(ji)是至關(guan)重要的(de)。根(gen)據電機(ji)的(de)負(fu)載(zai)特性，需要確定合(he)適的(de)電機(ji)參數。其主(zhu)要參數有以下幾點：

·應用是(shi)的最大扭矩要(yao)求；

·平方(fang)根(gen)(RMS)扭矩需求(qiu)；

·轉速要求。

（1）最大扭矩

最大的扭(niu)矩(ju)(ju)可以通過(guo)將負載扭(niu)矩(ju)(ju)、轉動慣量和摩擦力(li)相加得到。另外，還有一些額外的因(yin)素影響最大需(xu)求扭(niu)矩(ju)(ju)如：氣隙空氣的阻力(li)等，這(zhe)就需(xu)要(yao)至少20%的扭(niu)矩(ju)(ju)余(yu)量，綜上所述(shu)，有以下等式：

TP = (TL + TJ + TF) * 1.2

TJ為電(dian)機啟動(dong)或加速(su)過程(cheng)需(xu)要克服(fu)的轉(zhuan)(zhuan)動(dong)力(li)矩(ju)(ju)，其主要包括電(dian)機轉(zhuan)(zhuan)子的轉(zhuan)(zhuan)動(dong)力(li)矩(ju)(ju)和負(fu)載的轉(zhuan)(zhuan)動(dong)力(li)矩(ju)(ju)，其表示(shi)為：

TJ = JL + M * α

上(shang)式中α為加速度(du)，JL+M為定子和負載的(de)(de)轉(zhuan)動力(li)矩。 電機(ji)的(de)(de)機(ji)械(xie)軸決定電機(ji)的(de)(de)負載力(li)矩和摩(mo)擦力(li)。

（2）平方根扭矩

可以(yi)近似(si)的(de)認為(wei)平方根(gen)扭(niu)矩(ju)(ju)為(wei)實(shi)際(ji)應用中(zhong)需要的(de)持(chi)續輸出扭(niu)矩(ju)(ju)。它由很(hen)多因(yin)素決定：最大扭(niu)矩(ju)(ju)、負(fu)載扭(niu)矩(ju)(ju)、轉動慣量、加速、減速以(yi)及運行(xing)時(shi)間(jian)(jian)。下(xia)面的(de)等式表示了平方根(gen)扭(niu)矩(ju)(ju)的(de)計(ji)算，其中(zhong)TA為(wei)加速時(shi)間(jian)(jian)、TD為(wei)減速時(shi)間(jian)(jian)和TR為(wei)運行(xing)時(shi)間(jian)(jian)。

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

（3）轉速

這是有應用(yong)需求(qiu)的(de)(de)轉(zhuan)速(su)。比如(ru)，吹風機(ji)的(de)(de)轉(zhuan)速(su)需求(qiu)是，最高轉(zhuan)速(su)和(he)平均(jun)轉(zhuan)速(su)相差不大，顯然在(zai)一些(xie)點(dian)對(dui)點(dian)定位系統如(ru)傳(chuan)送帶和(he)機(ji)械臂系統中就需要(yao)大轉(zhuan)速(su)范圍(wei)的(de)(de)電(dian)機(ji)，可以根(gen)據電(dian)機(ji)的(de)(de)轉(zhuan)速(su)梯形曲線（）確定電(dian)機(ji)的(de)(de)轉(zhuan)速(su)需求(qiu)。通常，由于其他因素，在(zai)計算(suan)電(dian)機(ji)轉(zhuan)速(su)需求(qiu)的(de)(de)時候需要(yao)留有10%余量(liang)。

7、BLDC典型應用

BLDC的應用(yong)十分廣泛，如汽車、工(gong)(gong)(gong)具、工(gong)(gong)(gong)業工(gong)(gong)(gong)控、自(zi)動化以(yi)及航(hang)空航(hang)天等等。總的來說，BLDC可(ke)以(yi)分為以(yi)下三種(zhong)主(zhu)要用(yong)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)種應用主要用于那些需要一定轉速但是(shi)對(dui)轉速精度(du)要求不高(gao)的領域，比如(ru)風(feng)扇(shan)、抽水機、吹風(feng)氣等一類的應用。通常(chang)這(zhe)類應用成本(ben)比較低且多是(shi)開環控制(zhi)。

（2）可變負載應用

這(zhe)類主要(yao)指的(de)(de)是(shi)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)轉(zhuan)速(su)需要(yao)在(zai)某(mou)個(ge)范(fan)圍內變化的(de)(de)應用(yong)，在(zai)這(zhe)類應用(yong)中主要(yao)對電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)的(de)(de)高(gao)轉(zhuan)速(su)特性和(he)(he)(he)動態響(xiang)應特性有更高(gao)的(de)(de)要(yao)求。家用(yong)器具中的(de)(de)洗衣(yi)機(ji)(ji)(ji)、甩干機(ji)(ji)(ji)和(he)(he)(he)壓(ya)縮(suo)機(ji)(ji)(ji)就是(shi)很好(hao)的(de)(de)例(li)子(zi)。在(zai)汽車(che)工業領域，油泵控(kong)制(zhi)(zhi)、電(dian)(dian)(dian)控(kong)制(zhi)(zhi)器、發(fa)動機(ji)(ji)(ji)控(kong)制(zhi)(zhi)和(he)(he)(he)電(dian)(dian)(dian)子(zi)工具等(deng)也是(shi)很好(hao)的(de)(de)例(li)子(zi)。在(zai)航空領域也有很多的(de)(de)應用(yong)，比如離心機(ji)(ji)(ji)、泵、機(ji)(ji)(ji)械(xie)臂、陀螺儀等(deng)等(deng)。這(zhe)個(ge)領域中多使用(yong)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)反饋器件組成(cheng)半開環和(he)(he)(he)閉環進行(xing)控(kong)制(zhi)(zhi)。這(zhe)就需要(yao)復雜的(de)(de)控(kong)制(zhi)(zhi)算(suan)法，增(zeng)加了控(kong)制(zhi)(zhi)器的(de)(de)復雜程(cheng)度也增(zeng)加了系統(tong)成(cheng)本。

（3）定位應用

大多數的(de)(de)(de)工(gong)業控(kong)(kong)(kong)制(zhi)和自動(dong)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)方面(mian)的(de)(de)(de)應用(yong)(yong)屬(shu)于(yu)這個類別。在(zai)這些(xie)應用(yong)(yong)中往(wang)往(wang)會完成能(neng)量的(de)(de)(de)輸(shu)送，如齒(chi)輪或者傳送帶，因此(ci)系統對電(dian)機(ji)的(de)(de)(de)轉(zhuan)速(su)的(de)(de)(de)動(dong)態(tai)響應和轉(zhuan)矩(ju)有(you)特別的(de)(de)(de)要求，同時(shi)(shi)(shi)這些(xie)應用(yong)(yong)也可(ke)能(neng)需(xu)要隨時(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)改(gai)變(bian)電(dian)機(ji)的(de)(de)(de)轉(zhuan)向(xiang)，電(dian)機(ji)可(ke)能(neng)工(gong)作在(zai)勻(yun)速(su)，加速(su)，減少階段(duan)，而且有(you)可(ke)能(neng)在(zai)這些(xie)階段(duan)中負載(zai)也在(zai)變(bian)化(hua)，所以這對控(kong)(kong)(kong)制(zhi)器提出了更高的(de)(de)(de)要求，通常這種控(kong)(kong)(kong)制(zhi)使用(yong)(yong)閉(bi)環(huan)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)，甚(shen)至會有(you)扭矩(ju)環(huan)、速(su)度(du)環(huan)和位(wei)置環(huan)三(san)個控(kong)(kong)(kong)制(zhi)環(huan)。測速(su)時(shi)(shi)(shi)可(ke)能(neng)會用(yong)(yong)上光電(dian)編(bian)碼器和一些(xie)同步設備。有(you)時(shi)(shi)(shi)候(hou)這些(xie)傳感(gan)器會被用(yong)(yong)于(yu)測量相對位(wei)置，也有(you)時(shi)(shi)(shi)候(hou)用(yong)(yong)于(yu)測量絕對位(wei)置。過程控(kong)(kong)(kong)制(zhi)、機(ji)械(xie)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)和運輸(shu)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)很(hen)多都屬(shu)于(yu)這類應用(yong)(yong)。

8、總結

總的(de)(de)來說，無(wu)刷電機(ji)相對傳統的(de)(de)有刷電機(ji)、感應(ying)電機(ji)而言(yan)，它擁有高的(de)(de)轉速/扭矩比、好動態特(te)(te)性(xing)、高效率、長壽命、低噪聲、寬轉速范圍和(he)制造容易等(deng)等(deng)優良特(te)(te)性(xing)。特(te)(te)別是去單位(wei)體(ti)積的(de)(de)功率輸出特(te)(te)性(xing)使(shi)得(de)其可以用(yong)(yong)于對尺寸和(he)重量敏感的(de)(de)場(chang)合。這些優良的(de)(de)特(te)(te)性(xing)使(shi)得(de)BLDC在工業控制領域(yu)、汽車工業、航(hang)空航(hang)天等(deng)等(deng)領域(yu)有著(zhu)非(fei)常廣泛的(de)(de)應(ying)用(yong)(yong)！