【直流無(wu)刷(shua)電機】直流無(wu)刷(shua)電機原(yuan)理 直流無(wu)刷(shua)電機工作原(yuan)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(hang)空、消費電子、醫學電子、工業自動化(hua)等裝(zhuang)置和(he)儀表。

顧名(ming)思義，BLDC不使用(yong)機械結構(gou)的(de)換向電刷(shua)而(er)直接使用(yong)電子換向器，在(zai)使用(yong)中(zhong)BLDC相比(bi)有刷(shua)電機有許多的(de)優點(dian)，比(bi)如：

·能獲得(de)更好的扭(niu)矩轉速特性；

·高速動態(tai)響應；

·高效率；

·長壽命；

·低噪聲；

·高轉速。

另外(wai)，BLDC更(geng)優的(de)扭(niu)矩和(he)(he)外(wai)形尺寸比使(shi)得它更(geng)適(shi)合用于對電(dian)機自身重量和(he)(he)大(da)小(xiao)比較敏(min)感的(de)場合。 在這篇(pian)應用筆記中將會對BLDC的(de)結構、基本原(yuan)理、特性(xing)和(he)(he)應用做一系(xi)列的(de)探討(tao)。探討(tao)過程中可能用到的(de)術語(yu)可以在附錄B“術語(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(tong)(tong)步電機的一種，這就意味著它的定子(zi)產(chan)生的磁場和轉子(zi)產(chan)生的磁場是(shi)同(tong)(tong)頻率的，所以BLDC并不會(hui)產(chan)生普通感應(ying)(ying)電機的頻差現象。BLDC中又有單相(xiang)(xiang)、2相(xiang)(xiang)和3相(xiang)(xiang)電機的區別(bie)，相(xiang)(xiang)類型的不同(tong)(tong)決定其定子(zi)線圈繞組的多(duo)少(shao)。在這里我們將集中討論(lun)的是(shi)應(ying)(ying)用(yong)最(zui)為廣泛的3相(xiang)(xiang)BLDC。

（1） 定子

BLDC定(ding)(ding)(ding)子(zi)是(shi)由(you)許多(duo)硅(gui)鋼片(pian)經過(guo)(guo)疊壓和軸(zhou)向沖壓而成，每個沖槽內都有(you)一(yi)定(ding)(ding)(ding)的(de)(de)(de)線(xian)圈(quan)組(zu)成了(le)繞(rao)(rao)(rao)組(zu)，可以參(can)見下(xia)圖。從(cong)傳統意(yi)義上講，BLDC的(de)(de)(de)定(ding)(ding)(ding)子(zi)和感應電機的(de)(de)(de)定(ding)(ding)(ding)子(zi)有(you)點(dian)類似(si)，不(bu)過(guo)(guo)在(zai)定(ding)(ding)(ding)子(zi)繞(rao)(rao)(rao)組(zu)的(de)(de)(de)分布上有(you)一(yi)定(ding)(ding)(ding)的(de)(de)(de)差別。大(da)多(duo)數(shu)的(de)(de)(de)BLDC定(ding)(ding)(ding)子(zi)有(you)3個呈星行(xing)排列(lie)的(de)(de)(de)繞(rao)(rao)(rao)組(zu)，每個繞(rao)(rao)(rao)組(zu)又由(you)許多(duo)內部結合的(de)(de)(de)鋼片(pian)按照一(yi)定(ding)(ding)(ding)的(de)(de)(de)方式組(zu)成，偶(ou)數(shu)個繞(rao)(rao)(rao)組(zu)分布在(zai)定(ding)(ding)(ding)子(zi)的(de)(de)(de)周圍組(zu)成了(le)偶(ou)數(shu)個磁極。

圖2.1.1. BLDC內部結(jie)構

BLDC的(de)(de)(de)定子繞(rao)(rao)組(zu)可(ke)以分(fen)(fen)為梯(ti)形(xing)和正弦(xian)兩種(zhong)繞(rao)(rao)組(zu)，它(ta)們的(de)(de)(de)根本區(qu)別(bie)在于由于繞(rao)(rao)組(zu)的(de)(de)(de)不(bu)同連接方式使它(ta)們產生的(de)(de)(de)反(fan)電動勢（反(fan)電動勢的(de)(de)(de)相關介(jie)紹請參(can)加EMF一節）不(bu)同，分(fen)(fen)別(bie)呈現梯(ti)形(xing)和正弦(xian)波形(xing)，故用此命(ming)名了。梯(ti)形(xing)和正弦(xian)繞(rao)(rao)組(zu)產生的(de)(de)(de)反(fan)電動勢的(de)(de)(de)波形(xing)圖(tu)(tu)如下圖(tu)(tu)。

另(ling)外還需要(yao)對反電(dian)動勢的(de)一點說明就(jiu)是繞組(zu)(zu)的(de)不(bu)同其(qi)相(xiang)電(dian)流也是呈現梯(ti)形(xing)和正弦波(bo)形(xing)，可想(xiang)而知(zhi)正弦繞組(zu)(zu)由于(yu)波(bo)形(xing)平滑所以運行起來相(xiang)對梯(ti)形(xing)繞組(zu)(zu)來說就(jiu)更平穩(wen)一些(xie)。但是，正弦型繞組(zu)(zu)由于(yu)有更多(duo)繞組(zu)(zu)使(shi)得其(qi)在銅線的(de)使(shi)用上就(jiu)相(xiang)對梯(ti)形(xing)繞組(zu)(zu)要(yao)多(duo)。

平時(shi)由于應用(yong)(yong)電(dian)壓(ya)(ya)的(de)不同，我們可以(yi)(yi)(yi)根據需(xu)要選擇不同電(dian)壓(ya)(ya)范(fan)圍(wei)的(de)無刷(shua)電(dian)機(ji)。48V及其以(yi)(yi)(yi)下應用(yong)(yong)電(dian)壓(ya)(ya)的(de)電(dian)機(ji)可以(yi)(yi)(yi)用(yong)(yong)在(zai)汽(qi)車(che)、機(ji)器人、小型機(ji)械(xie)臂等方面。100V及其以(yi)(yi)(yi)上電(dian)壓(ya)(ya)范(fan)圍(wei)的(de)電(dian)機(ji)可以(yi)(yi)(yi)用(yong)(yong)在(zai)專用(yong)(yong)器具、自動(dong)控制以(yi)(yi)(yi)及工業(ye)生產領域。

（2）轉子

定(ding)子(zi)是(shi)2至8對永磁體按照N極和(he)S極交替(ti)排列在(zai)轉(zhuan)子(zi)周圍構成的（內轉(zhuan)子(zi)型），如(ru)果是(shi)外(wai)轉(zhuan)子(zi)型BLDC那(nei)么就是(shi)貼在(zai)轉(zhuan)子(zi)內壁咯。如(ru)圖2.2.1所(suo)示；

圖2.2.1 轉子磁極(ji)排布

（3）霍爾傳感器

與有刷(shua)直流電(dian)(dian)機不同，無刷(shua)直流電(dian)(dian)機使用電(dian)(dian)子(zi)方式換向。要使BLDC轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)起來(lai)，必(bi)須要按照(zhao)一定的(de)順序給定子(zi)通(tong)電(dian)(dian)，那么我們就需(xu)要知(zhi)道轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)的(de)位置以便按照(zhao)通(tong)電(dian)(dian)次(ci)序給相應的(de)定子(zi)線圈通(tong)電(dian)(dian)。定子(zi)的(de)位置是由嵌入到定子(zi)的(de)霍(huo)爾(er)(er)傳(chuan)感器(qi)感知(zhi)的(de)。通(tong)常會安排3個(ge)霍(huo)爾(er)(er)傳(chuan)感器(qi)在轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)的(de)旋轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)路徑周圍。無論何時，只要轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)的(de)磁極(ji)掠過(guo)霍(huo)爾(er)(er)元件時，根據轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)當前(qian)磁極(ji)的(de)極(ji)性(xing)霍(huo)爾(er)(er)元件會輸出(chu)對應的(de)高或低電(dian)(dian)平，這樣只要根據3個(ge)霍(huo)爾(er)(er)元件產生(sheng)的(de)電(dian)(dian)平的(de)時序就可以判斷當前(qian)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)的(de)位置，并相應的(de)對定子(zi)繞組進行通(tong)電(dian)(dian)。

霍(huo)爾效(xiao)應(ying)(ying)：當通電(dian)導(dao)體(ti)(ti)處于(yu)(yu)磁(ci)場(chang)(chang)中(zhong)，由于(yu)(yu)磁(ci)場(chang)(chang)的(de)作用力使得導(dao)體(ti)(ti)內的(de)電(dian)荷會向導(dao)體(ti)(ti)的(de)一(yi)側聚(ju)集(ji)，當薄平板(ban)通電(dian)導(dao)體(ti)(ti)處于(yu)(yu)磁(ci)場(chang)(chang)中(zhong)時(shi)這(zhe)(zhe)種效(xiao)應(ying)(ying)更為(wei)明顯，這(zhe)(zhe)樣一(yi)側聚(ju)集(ji)了(le)電(dian)荷的(de)導(dao)體(ti)(ti)會抵消磁(ci)場(chang)(chang)的(de)這(zhe)(zhe)種影響，由于(yu)(yu)電(dian)荷在導(dao)體(ti)(ti)一(yi)側的(de)聚(ju)集(ji)，從而使得導(dao)體(ti)(ti)兩(liang)側產生電(dian)壓(ya)，這(zhe)(zhe)種現(xian)象就稱為(wei)霍(huo)爾效(xiao)應(ying)(ying)，E.H霍(huo)爾在1879年(nian)發現(xian)了(le)這(zhe)(zhe)一(yi)現(xian)象，故以此命名。

圖2.3.1 霍爾傳感(gan)器測量原理

圖 2.3.1顯示了NS磁極交替排列的(de)(de)(de)轉(zhuan)子的(de)(de)(de)橫截面。霍爾元(yuan)(yuan)件(jian)安放在(zai)電(dian)機的(de)(de)(de)固定(ding)位(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)，將(jiang)霍爾元(yuan)(yuan)件(jian)安放到電(dian)機的(de)(de)(de)定(ding)子是比較復(fu)雜的(de)(de)(de)，因為如(ru)果安放時位(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)沒(mei)有和轉(zhuan)子的(de)(de)(de)磁場(chang)(chang)相(xiang)切那么就可(ke)能(neng)(neng)導致霍爾元(yuan)(yuan)件(jian)的(de)(de)(de)測量值不能(neng)(neng)準(zhun)確的(de)(de)(de)反應轉(zhuan)子當前(qian)的(de)(de)(de)位(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)，鑒(jian)于以上(shang)原因，為了簡(jian)化霍爾元(yuan)(yuan)件(jian)的(de)(de)(de)安裝，通(tong)常在(zai)電(dian)機的(de)(de)(de)轉(zhuan)子上(shang)安裝一顆冗(rong)余的(de)(de)(de)磁體，這(zhe)個磁體專門用來(lai)感(gan)應霍爾元(yuan)(yuan)件(jian)，這(zhe)樣就能(neng)(neng)起到和轉(zhuan)子磁體感(gan)應的(de)(de)(de)相(xiang)同效果，霍爾元(yuan)(yuan)件(jian)一般按(an)照(zhao)圓周安放在(zai)印刷電(dian)路板上(shang)并配備(bei)了調(diao)節蓋，這(zhe)樣用戶就可(ke)以根(gen)據(ju)磁場(chang)(chang)的(de)(de)(de)方向非常方便的(de)(de)(de)調(diao)節霍爾元(yuan)(yuan)件(jian)的(de)(de)(de)位(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)以便使它(ta)工(gong)作在(zai)最佳狀態。

霍(huo)爾(er)元(yuan)件位置的(de)安排上，有60°夾角(jiao)和120°夾角(jiao)兩種。基于(yu)這種擺放(fang)形式，BLDC的(de)電流換(huan)向順(shun)序由制造廠商(shang)制定，當我們控制電機的(de)時候就需要用到(dao)這種換(huan)向順(shun)序。

注意：霍(huo)爾(er)元件的電壓范圍(wei)從(cong)4V到24V不等(deng)，電流(liu)(liu)范圍(wei)從(cong)5mA到15mA不等(deng)，所以(yi)在(zai)考慮控(kong)制器時要考慮到霍(huo)爾(er)元件的電流(liu)(liu)和電壓要求。另外，霍(huo)爾(er)元件輸出集電極(ji)開路(lu)，使用時需要接上拉電阻。

（4）操作原理

每(mei)一次(ci)(ci)換向(xiang)都會有一組(zu)繞組(zu)處于正向(xiang)通(tong)電(dian)(dian)；第(di)二組(zu)反相通(tong)電(dian)(dian)；第(di)三組(zu)不(bu)通(tong)電(dian)(dian)。轉(zhuan)子(zi)(zi)永磁(ci)體的(de)(de)磁(ci)場和(he)定子(zi)(zi)鋼(gang)片產生的(de)(de)磁(ci)場相互作用就產生了轉(zhuan)矩(ju)，理論上，當(dang)這(zhe)兩個磁(ci)場夾角為90°時(shi)會產生最大的(de)(de)轉(zhuan)矩(ju)，當(dang)這(zhe)兩個磁(ci)場重(zhong)合時(shi)轉(zhuan)矩(ju)變(bian)為0，為了使轉(zhuan)子(zi)(zi)不(bu)停的(de)(de)轉(zhuan)動，那么就需要按順序(xu)改變(bian)定子(zi)(zi)的(de)(de)磁(ci)場，就像轉(zhuan)子(zi)(zi)的(de)(de)磁(ci)場一直(zhi)在追(zhui)趕定子(zi)(zi)的(de)(de)磁(ci)場一樣。典(dian)型的(de)(de)“六步電(dian)(dian)流換向(xiang)”順序(xu)圖展示了定子(zi)(zi)內繞組(zu)的(de)(de)通(tong)電(dian)(dian)次(ci)(ci)序(xu)。

（5）轉矩/轉速特性

圖 2.5.1 轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)矩(ju)(ju)和(he)(he)速度(du)特(te)性(xing)顯(xian)示了轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)矩(ju)(ju)和(he)(he)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速特(te)性(xing)。BLDC一共有兩種轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)矩(ju)(ju)度(du)量(liang)：最大(da)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)矩(ju)(ju)和(he)(he)額定轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)矩(ju)(ju)。當(dang)電(dian)機(ji)連續(xu)運轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)的時候表現出來的就是(shi)額定轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)矩(ju)(ju)。在無刷電(dian)機(ji)達到(dao)額定轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速之前，轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)矩(ju)(ju)不變，無刷電(dian)機(ji)最高轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速可以達到(dao)額定轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速的150%，但(dan)是(shi)超(chao)速時電(dian)機(ji)的轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)矩(ju)(ju)會相(xiang)應下降。

在實際的(de)應(ying)用中(zhong)，我們常常會讓(rang)帶負載的(de)電機(ji)(ji)啟動、停轉(zhuan)(zhuan)和逆向運行，此時(shi)就需(xu)(xu)要比(bi)額定轉(zhuan)(zhuan)矩更大(da)(da)的(de)轉(zhuan)(zhuan)矩。特別是當轉(zhuan)(zhuan)子(zi)靜止和反方向加速時(shi)啟動電機(ji)(ji)，這個時(shi)候就需(xu)(xu)要更大(da)(da)的(de)轉(zhuan)(zhuan)矩來(lai)抵消(xiao)負載和轉(zhuan)(zhuan)子(zi)自(zi)身的(de)慣性，這個時(shi)候就需(xu)(xu)要提供最大(da)(da)的(de)轉(zhuan)(zhuan)矩一直到電機(ji)(ji)進入正(zheng)向轉(zhuan)(zhuan)矩曲線(xian)階段(duan)。

3、換向時序

圖2.6.1顯示(shi)了霍爾(er)元(yuan)件(jian)的(de)輸(shu)出、反電(dian)動勢和(he)相電(dian)流(liu)的(de)關系。圖2.6.2顯示(shi)了根據霍爾(er)元(yuan)件(jian)輸(shu)出的(de)波(bo)形應該繞組(zu)通電(dian)的(de)時序。

圖2.6.1中的通(tong)電序號(hao)對(dui)(dui)應的就是圖2.6.2中的序號(hao)，每隔60°夾角其(qi)中一個霍爾(er)元件(jian)就會(hui)(hui)改變(bian)一次(ci)(ci)其(qi)輸(shu)出特性，那么(me)一圈（通(tong)電周(zhou)(zhou)(zhou)期(qi)）下來就會(hui)(hui)有(you)6次(ci)(ci)變(bian)化，同時相電流也會(hui)(hui)每60°改變(bian)一次(ci)(ci)。但是，每完成一個通(tong)電周(zhou)(zhou)(zhou)期(qi)并不會(hui)(hui)使轉子(zi)轉動一周(zhou)(zhou)(zhou),轉子(zi)轉動一周(zhou)(zhou)(zhou)需要的通(tong)電周(zhou)(zhou)(zhou)期(qi)數目和轉子(zi)上的磁極的對(dui)(dui)數相關，轉子(zi)有(you)多少對(dui)(dui)磁極那么(me)就需要多少個通(tong)電周(zhou)(zhou)(zhou)期(qi)。

圖(tu)2.6.3是關于使(shi)用MCU控(kong)(kong)制無刷(shua)電(dian)(dian)機的原理圖(tu)，其中(zhong)微控(kong)(kong)制器PIC18FXX31控(kong)(kong)制Q0-Q5組成的驅(qu)動電(dian)(dian)路按照一(yi)定(ding)的時序為BLDC通電(dian)(dian)，根據電(dian)(dian)機電(dian)(dian)壓和(he)電(dian)(dian)流的不同可以(yi)選擇(ze)不同的驅(qu)動電(dian)(dian)路，如MOSFET、IGBT或者直接使(shi)用雙(shuang)極性三(san)極管(guan)。

表2.6.1和(he)表2.6.2表示(shi)的(de)(de)(de)是(shi)(shi)基于霍爾(er)輸入時(shi)在(zai)A、B、C繞組上的(de)(de)(de)通電時(shi)序。表2.6.1是(shi)(shi)轉(zhuan)子順時(shi)針轉(zhuan)動的(de)(de)(de)時(shi)序，表2.6.2是(shi)(shi)轉(zhuan)子逆時(shi)針轉(zhuan)動的(de)(de)(de)時(shi)序。上面兩個表格顯(xian)示(shi)的(de)(de)(de)是(shi)(shi)當霍爾(er)元(yuan)件呈60°排(pai)列時(shi)的(de)(de)(de)驅(qu)動波(bo)形(xing)，前面也提(ti)到霍爾(er)元(yuan)件還(huan)可(ke)以呈120°的(de)(de)(de)夾角排(pai)列，那么(me)這個時(shi)候就需要(yao)相應的(de)(de)(de)驅(qu)動波(bo)形(xing)，這些波(bo)形(xing)都可(ke)以在(zai)電機(ji)生(sheng)產(chan)商的(de)(de)(de)資(zi)料(liao)里找到，應用時(shi)需要(yao)嚴格遵守(shou)通電時(shi)序。

假設驅(qu)(qu)(qu)(qu)動(dong)電(dian)壓(ya)和(he)電(dian)機(ji)(ji)運行時(shi)(shi)的(de)(de)電(dian)壓(ya)相等（包括驅(qu)(qu)(qu)(qu)動(dong)電(dian)路(lu)本身的(de)(de)損(sun)耗），當PWMx按照給定(ding)的(de)(de)時(shi)(shi)序開和(he)關時(shi)(shi)無刷電(dian)機(ji)(ji)將會以(yi)(yi)(yi)額定(ding)的(de)(de)轉速旋轉。為了(le)調速，我們(men)使(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)用(yong)遠高(gao)于電(dian)機(ji)(ji)運轉頻(pin)率的(de)(de)PWM波(bo)驅(qu)(qu)(qu)(qu)動(dong)電(dian)機(ji)(ji)，通常我們(men)需(xu)要(yao)至(zhi)少(shao)10倍于電(dian)機(ji)(ji)最高(gao)頻(pin)率的(de)(de)PWM驅(qu)(qu)(qu)(qu)動(dong)波(bo)形。當PWM驅(qu)(qu)(qu)(qu)動(dong)波(bo)形的(de)(de)占空(kong)比(bi)變化時(shi)(shi)，使(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)得(de)其(qi)在定(ding)子上的(de)(de)有(you)(you)效電(dian)壓(ya)變化，這(zhe)就實現(xian)了(le)無刷電(dian)機(ji)(ji)的(de)(de)調速，另外(wai)，當驅(qu)(qu)(qu)(qu)動(dong)電(dian)源電(dian)壓(ya)高(gao)于電(dian)機(ji)(ji)本身的(de)(de)額定(ding)電(dian)壓(ya)時(shi)(shi)，我們(men)可(ke)(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)調節PWM的(de)(de)占空(kong)比(bi)來使(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)得(de)驅(qu)(qu)(qu)(qu)動(dong)電(dian)源電(dian)壓(ya)適合電(dian)機(ji)(ji)的(de)(de)額定(ding)驅(qu)(qu)(qu)(qu)動(dong)電(dian)壓(ya)。可(ke)(ke)(ke)想而知，我們(men)可(ke)(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)使(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)用(yong)同一個控制(zhi)器(qi)去掛接不同額定(ding)電(dian)壓(ya)的(de)(de)電(dian)機(ji)(ji)，此(ci)時(shi)(shi)只需(xu)要(yao)用(yong)控制(zhi)器(qi)改變一下(xia)PWM的(de)(de)占空(kong)比(bi)就行了(le)。 另外(wai)還(huan)有(you)(you)一種控制(zhi)方式(shi)：當微控制(zhi)器(qi)的(de)(de)PWM輸(shu)出不夠用(yong)時(shi)(shi)，可(ke)(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)在整個通電(dian)時(shi)(shi)序內(nei)將上臂一直導通（即上臂不使(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)用(yong)PWM）而下(xia)臂使(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)用(yong)PWM驅(qu)(qu)(qu)(qu)動(dong)。

圖 2.6.3中(zhong)連接(jie)數(shu)字和模擬(ni)轉換通道的(de)分壓(ya)電路(lu)提供了(le)一定(ding)速度的(de)參考(kao)電壓(ya)，有了(le)這個(ge)電壓(ya)，我們就可以計算PWM波形的(de)有效(xiao)值。

（1）閉環控制

我們可以通(tong)過閉環測量當(dang)前電(dian)機的(de)(de)轉(zhuan)速而達(da)到(dao)控(kong)(kong)制電(dian)機的(de)(de)轉(zhuan)速的(de)(de)目的(de)(de)，我們通(tong)過計(ji)算期(qi)望轉(zhuan)速和實際轉(zhuan)速的(de)(de)誤差，然(ran)后使用PID算法去調(diao)節PWM的(de)(de)占空比以達(da)到(dao)控(kong)(kong)制電(dian)機轉(zhuan)速的(de)(de)目的(de)(de)。

對于低成本，低轉速(su)的應用場合，可以使用霍爾傳感器(qi)獲(huo)得(de)(de)轉速(su)反饋。利用PIC18FXX31微控制器(qi)本身的一(yi)個定時(shi)器(qi)去測(ce)量兩個霍爾元件輸出信號，然后根據這個信號得(de)(de)出實際的轉速(su)。

在高轉(zhuan)(zhuan)速(su)應用場(chang)合，我(wo)們可(ke)以(yi)在電機(ji)上(shang)裝上(shang)光電編(bian)碼(ma)器，可(ke)以(yi)利用其輸(shu)出相差(cha)90°的信號進行(xing)轉(zhuan)(zhuan)速(su)和轉(zhuan)(zhuan)向的測(ce)量。通常，光電編(bian)碼(ma)器還可(ke)以(yi)輸(shu)出PPR信號，使得(de)可(ke)以(yi)進行(xing)較精確的轉(zhuan)(zhuan)子定(ding)位，編(bian)碼(ma)器的編(bian)碼(ma)刻度可(ke)以(yi)上(shang)百甚至(zhi)上(shang)千，編(bian)碼(ma)刻度越(yue)多，精度越(yue)高。

4、反電動勢（BACK EMF）

根據楞(leng)次定律，當BLDC轉動(dong)時其繞組(zu)會產(chan)生與繞組(zu)兩端電壓相反(fan)方向的反(fan)向電壓，這(zhe)就是反(fan)電動(dong)勢(shi)（BACK EMF）。記住，反(fan)電動(dong)勢(shi)和繞組(zu)所加(jia)電壓是反(fan)向的。決定反(fan)電動(dong)勢(shi)的主要因素有(you)以下(xia)幾(ji)點：

· 轉子的(de)角速度；

· 轉子(zi)永(yong)磁(ci)體的磁(ci)場強度；

· 每(mei)個定子繞組纏繞的線圈數(shu)量。

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

· N為每(mei)相繞(rao)組的線(xian)圈數量

· L轉子的長度(du)

· B為轉子的(de)磁通密度

· W為轉子的角速度

當電(dian)機一(yi)旦做好，那么其(qi)繞組的線(xian)(xian)圈數量(liang)和永磁(ci)體(ti)的磁(ci)通密度(du)就定(ding)了，由公式可知，唯一(yi)決定(ding)反電(dian)動勢(shi)的量(liang)就是轉子的角(jiao)速(su)度(du)（也可以(yi)(yi)換算為線(xian)(xian)速(su)度(du)）且角(jiao)速(su)度(du)和反電(dian)動勢(shi)成(cheng)正比(bi)。廠家一(yi)般會提供電(dian)機的反電(dian)動勢(shi)常量(liang)，通過它我們可以(yi)(yi)用(yong)來估計某(mou)一(yi)轉速(su)下反電(dian)動勢(shi)的大(da)小。

繞組(zu)上(shang)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)等于供電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)減去反(fan)(fan)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)動勢，廠家(jia)在(zai)設(she)計電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)的(de)時候(hou)會(hui)選取適當的(de)反(fan)(fan)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)動勢常量(liang)以(yi)便電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)工作時有(you)足(zu)夠(gou)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)差可以(yi)使(shi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)達到(dao)額(e)定(ding)轉(zhuan)(zhuan)速并具有(you)足(zu)夠(gou)的(de)轉(zhuan)(zhuan)矩。當電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)超過額(e)定(ding)轉(zhuan)(zhuan)速工作時，反(fan)(fan)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)動勢會(hui)持續上(shang)升(sheng)，這時加在(zai)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)繞組(zu)間(jian)的(de)有(you)效(xiao)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)會(hui)下降，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流會(hui)減少，扭矩會(hui)下降，當反(fan)(fan)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)動勢和供電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)相等的(de)時候(hou)，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流降為0，扭矩為0，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)達到(dao)極限轉(zhuan)(zhuan)速

5、無傳感器BLDC控制

目前為(wei)止，我們所討論的(de)都(dou)是基(ji)于(yu)霍爾元件獲取(qu)電機(ji)(ji)轉子位置(zhi)(zhi)的(de)換向器控制(zhi)方(fang)式，其實可以(yi)直接通過測量(liang)電機(ji)(ji)反(fan)電動勢而知道轉子的(de)位置(zhi)(zhi)，在 圖 2.6.1中已經可以(yi)比(bi)較清晰(xi)的(de)看出(chu)反(fan)電動勢和霍爾元件輸出(chu)信號之間的(de)關(guan)系(xi)。

通(tong)過(guo)前些章節的(de)討(tao)論，我們可以看(kan)出(chu)在任何時(shi)(shi)(shi)候，電(dian)(dian)機(ji)的(de)繞(rao)組都(dou)是(shi)有(you)一相(xiang)(xiang)(xiang)為正向(xiang)通(tong)電(dian)(dian)、一相(xiang)(xiang)(xiang)為反(fan)向(xiang)通(tong)電(dian)(dian)和另(ling)外一相(xiang)(xiang)(xiang)為不通(tong)電(dian)(dian)。當(dang)某相(xiang)(xiang)(xiang)反(fan)電(dian)(dian)動勢(shi)反(fan)向(xiang)的(de)時(shi)(shi)(shi)候霍(huo)(huo)爾傳感器的(de)輸(shu)出(chu)也跟著變化。理想狀態下(xia)，霍(huo)(huo)爾元件的(de)輸(shu)出(chu)會在相(xiang)(xiang)(xiang)反(fan)電(dian)(dian)動勢(shi)過(guo)零的(de)時(shi)(shi)(shi)候發生改變，實際應用時(shi)(shi)(shi)會有(you)一段小的(de)延(yan)遲(chi)，這種延(yan)遲(chi)可以通(tong)過(guo)微控制器補償。

圖 3.1.1為利用(yong)反電(dian)動勢(shi)過零檢測的(de)方式來控制BLDC。

還有一(yi)方(fang)面需要考(kao)慮：當電(dian)(dian)機(ji)(ji)轉速比較低的(de)(de)(de)時(shi)候，反電(dian)(dian)動(dong)勢(shi)會比較小，以(yi)(yi)致過零(ling)檢測(ce)電(dian)(dian)路無法正常檢測(ce)，這個時(shi)候在電(dian)(dian)機(ji)(ji)啟動(dong)階段就(jiu)需要使用開環控(kong)制(zhi)，當電(dian)(dian)機(ji)(ji)啟動(dong)到產生可(ke)以(yi)(yi)過零(ling)檢測(ce)的(de)(de)(de)反電(dian)(dian)動(dong)勢(shi)轉速時(shi)，系統就(jiu)需要切換到過零(ling)檢測(ce)控(kong)制(zhi)模式，進(jin)行閉環控(kong)制(zhi)。最低的(de)(de)(de)過零(ling)檢測(ce)轉速可(ke)以(yi)(yi)根(gen)據電(dian)(dian)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)反電(dian)(dian)動(dong)勢(shi)常量計算出來。根(gen)據這個原理，可(ke)以(yi)(yi)去除霍爾元(yuan)件(jian)以(yi)(yi)及(ji)因(yin)其安(an)(an)(an)裝的(de)(de)(de)輔助磁體，這樣就(jiu)可(ke)以(yi)(yi)簡化制(zhi)造節約成本。另外，除去了霍爾元(yuan)件(jian)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)機(ji)(ji)可(ke)以(yi)(yi)安(an)(an)(an)裝在一(yi)些粉塵和油污比較大的(de)(de)(de)地(di)方(fang)而(er)無須為保(bao)證霍爾的(de)(de)(de)正常工作而(er)定時(shi)進(jin)行清理，與此同時(shi)，這種免維(wei)護電(dian)(dian)機(ji)(ji)還可(ke)以(yi)(yi)安(an)(an)(an)裝在人很(hen)難觸及(ji)的(de)(de)(de)地(di)方(fang)。

6、選擇合適的BLDC

為(wei)實際應用選擇(ze)合適的(de)(de)電(dian)機(ji)(ji)(ji)是至關重要的(de)(de)。根(gen)據電(dian)機(ji)(ji)(ji)的(de)(de)負(fu)載(zai)特性，需要確定合適的(de)(de)電(dian)機(ji)(ji)(ji)參(can)數。其(qi)主要參(can)數有以下幾點：

·應用是的最(zui)大(da)扭矩要求(qiu)；

·平方根(RMS)扭矩需求；

·轉速要求。

（1）最大扭矩

最(zui)大(da)的(de)扭(niu)矩可以(yi)通過將負載扭(niu)矩、轉動慣(guan)量(liang)(liang)和摩擦力相加得到。另外，還有一些額外的(de)因(yin)素影響(xiang)最(zui)大(da)需(xu)求扭(niu)矩如：氣隙空氣的(de)阻力等(deng)，這就(jiu)需(xu)要至少20%的(de)扭(niu)矩余量(liang)(liang)，綜上所述，有以(yi)下等(deng)式：

TP = (TL + TJ + TF) * 1.2

TJ為(wei)電(dian)機(ji)啟動(dong)或加速過程(cheng)需要(yao)克服(fu)的轉(zhuan)動(dong)力(li)矩，其主(zhu)要(yao)包括電(dian)機(ji)轉(zhuan)子的轉(zhuan)動(dong)力(li)矩和負(fu)載的轉(zhuan)動(dong)力(li)矩，其表(biao)示為(wei)：

TJ = JL + M * α

上式中α為加速度，JL+M為定子和負載(zai)的轉動力(li)(li)矩(ju)。 電機的機械軸(zhou)決定電機的負載(zai)力(li)(li)矩(ju)和摩擦力(li)(li)。

（2）平方根扭矩

可以近似的(de)認為平方根扭(niu)(niu)矩(ju)(ju)(ju)為實際應用中需要的(de)持續輸出扭(niu)(niu)矩(ju)(ju)(ju)。它由很多因素決定：最大(da)扭(niu)(niu)矩(ju)(ju)(ju)、負載(zai)扭(niu)(niu)矩(ju)(ju)(ju)、轉動慣量、加速(su)、減速(su)以及運行時(shi)間(jian)。下(xia)面(mian)的(de)等式(shi)表示了平方根扭(niu)(niu)矩(ju)(ju)(ju)的(de)計算，其中TA為加速(su)時(shi)間(jian)、TD為減速(su)時(shi)間(jian)和TR為運行時(shi)間(jian)。

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

（3）轉速

這是(shi)有應用需(xu)(xu)求(qiu)的轉(zhuan)(zhuan)速。比如，吹(chui)風機(ji)的轉(zhuan)(zhuan)速需(xu)(xu)求(qiu)是(shi)，最高轉(zhuan)(zhuan)速和平均轉(zhuan)(zhuan)速相(xiang)差不大(da)，顯(xian)然在一(yi)些點對點定位系(xi)統如傳送帶和機(ji)械臂系(xi)統中就需(xu)(xu)要大(da)轉(zhuan)(zhuan)速范圍的電(dian)(dian)機(ji)，可以根據電(dian)(dian)機(ji)的轉(zhuan)(zhuan)速梯形曲線（）確定電(dian)(dian)機(ji)的轉(zhuan)(zhuan)速需(xu)(xu)求(qiu)。通常，由于其他因(yin)素，在計(ji)算(suan)電(dian)(dian)機(ji)轉(zhuan)(zhuan)速需(xu)(xu)求(qiu)的時候需(xu)(xu)要留有10%余量。

7、BLDC典型應用

BLDC的應用(yong)十分廣泛，如汽車、工具、工業工控(kong)、自動化以(yi)及航空(kong)航天等等。總的來(lai)說(shuo)，BLDC可以(yi)分為以(yi)下(xia)三種主要用(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

這種(zhong)應用主要(yao)用于那些需要(yao)一定(ding)轉速(su)但是對(dui)轉速(su)精度(du)要(yao)求不高的領(ling)域，比(bi)如風(feng)扇、抽水機(ji)、吹(chui)風(feng)氣等一類(lei)的應用。通常這類(lei)應用成本(ben)比(bi)較(jiao)低(di)且多是開環控(kong)制。

（2）可變負載應用

這類主(zhu)要指的(de)(de)是電機(ji)(ji)(ji)(ji)轉速需(xu)要在(zai)某個(ge)范圍內(nei)變化(hua)的(de)(de)應(ying)(ying)用(yong)，在(zai)這類應(ying)(ying)用(yong)中(zhong)主(zhu)要對電機(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)高(gao)轉速特(te)(te)性和(he)(he)動(dong)態(tai)響應(ying)(ying)特(te)(te)性有更高(gao)的(de)(de)要求(qiu)。家用(yong)器(qi)具中(zhong)的(de)(de)洗(xi)衣機(ji)(ji)(ji)(ji)、甩干機(ji)(ji)(ji)(ji)和(he)(he)壓縮機(ji)(ji)(ji)(ji)就是很好(hao)的(de)(de)例(li)子。在(zai)汽車工業(ye)領域(yu)，油(you)泵(beng)控(kong)制、電控(kong)制器(qi)、發(fa)動(dong)機(ji)(ji)(ji)(ji)控(kong)制和(he)(he)電子工具等也(ye)(ye)是很好(hao)的(de)(de)例(li)子。在(zai)航(hang)空領域(yu)也(ye)(ye)有很多的(de)(de)應(ying)(ying)用(yong)，比如離心機(ji)(ji)(ji)(ji)、泵(beng)、機(ji)(ji)(ji)(ji)械臂、陀螺儀(yi)等等。這個(ge)領域(yu)中(zhong)多使用(yong)電機(ji)(ji)(ji)(ji)反(fan)饋器(qi)件(jian)組成半(ban)開環和(he)(he)閉環進行控(kong)制。這就需(xu)要復(fu)雜的(de)(de)控(kong)制算法，增加(jia)(jia)了控(kong)制器(qi)的(de)(de)復(fu)雜程度(du)也(ye)(ye)增加(jia)(jia)了系統(tong)成本(ben)。

（3）定位應用

大(da)多數的(de)工(gong)業控(kong)(kong)(kong)制(zhi)和(he)(he)自動(dong)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)方面的(de)應用(yong)屬(shu)于(yu)(yu)這(zhe)(zhe)個(ge)類(lei)別(bie)(bie)。在這(zhe)(zhe)些(xie)(xie)應用(yong)中往(wang)(wang)往(wang)(wang)會(hui)完成能(neng)量(liang)的(de)輸送，如齒輪(lun)或(huo)者傳(chuan)送帶，因此系統對電機(ji)的(de)轉(zhuan)速(su)(su)的(de)動(dong)態響應和(he)(he)轉(zhuan)矩(ju)有特(te)別(bie)(bie)的(de)要求，同(tong)時(shi)(shi)(shi)這(zhe)(zhe)些(xie)(xie)應用(yong)也可(ke)(ke)能(neng)需要隨時(shi)(shi)(shi)的(de)改(gai)變(bian)電機(ji)的(de)轉(zhuan)向，電機(ji)可(ke)(ke)能(neng)工(gong)作在勻速(su)(su)，加速(su)(su)，減少階段(duan)，而且有可(ke)(ke)能(neng)在這(zhe)(zhe)些(xie)(xie)階段(duan)中負載也在變(bian)化，所以(yi)這(zhe)(zhe)對控(kong)(kong)(kong)制(zhi)器提(ti)出了更高(gao)的(de)要求，通常(chang)這(zhe)(zhe)種控(kong)(kong)(kong)制(zhi)使用(yong)閉(bi)環(huan)(huan)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)，甚至會(hui)有扭(niu)矩(ju)環(huan)(huan)、速(su)(su)度環(huan)(huan)和(he)(he)位(wei)置(zhi)環(huan)(huan)三個(ge)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)環(huan)(huan)。測(ce)速(su)(su)時(shi)(shi)(shi)可(ke)(ke)能(neng)會(hui)用(yong)上光電編碼器和(he)(he)一(yi)些(xie)(xie)同(tong)步設備。有時(shi)(shi)(shi)候這(zhe)(zhe)些(xie)(xie)傳(chuan)感(gan)器會(hui)被用(yong)于(yu)(yu)測(ce)量(liang)相對位(wei)置(zhi)，也有時(shi)(shi)(shi)候用(yong)于(yu)(yu)測(ce)量(liang)絕對位(wei)置(zhi)。過(guo)程(cheng)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)、機(ji)械控(kong)(kong)(kong)制(zhi)和(he)(he)運輸控(kong)(kong)(kong)制(zhi)很多都屬(shu)于(yu)(yu)這(zhe)(zhe)類(lei)應用(yong)。

8、總結

總的來說(shuo)，無(wu)刷電(dian)(dian)機相對傳統的有刷電(dian)(dian)機、感(gan)應電(dian)(dian)機而言，它擁有高的轉(zhuan)速/扭(niu)矩比(bi)、好動態(tai)特(te)性(xing)、高效(xiao)率、長(chang)壽(shou)命(ming)、低(di)噪聲、寬轉(zhuan)速范(fan)圍和(he)制造容易等(deng)等(deng)優良特(te)性(xing)。特(te)別是去單位體積的功率輸出特(te)性(xing)使得其可以用于(yu)對尺寸和(he)重量敏感(gan)的場合。這些優良的特(te)性(xing)使得BLDC在工業控制領域、汽車工業、航空航天(tian)等(deng)等(deng)領域有著非常廣泛的應用！