【直(zhi)流(liu)無刷電(dian)(dian)機(ji)】直(zhi)流(liu)無刷電(dian)(dian)機(ji)原理 直(zhi)流(liu)無刷電(dian)(dian)機(ji)工作原理詳解

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、消費電子、醫學電子、工業自(zi)動化等裝置和儀表。

顧名思義(yi)，BLDC不(bu)使(shi)用(yong)機械(xie)結構的(de)(de)換(huan)向(xiang)電刷(shua)而(er)直接使(shi)用(yong)電子(zi)換(huan)向(xiang)器，在使(shi)用(yong)中BLDC相比有刷(shua)電機有許多的(de)(de)優(you)點(dian)，比如(ru)：

·能獲得(de)更好(hao)的扭矩轉速特性；

·高速動(dong)態響應；

·高效率；

·長壽命；

·低噪聲；

·高轉速。

另外，BLDC更優的扭矩和外形尺(chi)寸比使得它更適合用(yong)于(yu)對電機自身重量和大小比較敏感的場(chang)合。 在這篇應用(yong)筆(bi)記中將會對BLDC的結構、基本(ben)原(yuan)理、特性和應用(yong)做一系(xi)列的探討(tao)。探討(tao)過程中可能用(yong)到的術語可以在附錄B“術語表”中找(zhao)到相應的解釋。

2、BLDC結構和基本工作原理

BLDC屬于同(tong)(tong)步電(dian)(dian)機(ji)的(de)(de)一種(zhong)，這就意味著(zhu)它的(de)(de)定(ding)子產(chan)(chan)生的(de)(de)磁(ci)場和轉子產(chan)(chan)生的(de)(de)磁(ci)場是(shi)同(tong)(tong)頻(pin)率(lv)的(de)(de)，所(suo)以BLDC并不(bu)會產(chan)(chan)生普通感應電(dian)(dian)機(ji)的(de)(de)頻(pin)差現象。BLDC中(zhong)又有單相(xiang)、2相(xiang)和3相(xiang)電(dian)(dian)機(ji)的(de)(de)區別，相(xiang)類(lei)型的(de)(de)不(bu)同(tong)(tong)決定(ding)其(qi)定(ding)子線(xian)圈(quan)繞(rao)組的(de)(de)多少(shao)。在這里我們將集中(zhong)討(tao)論的(de)(de)是(shi)應用最(zui)為廣泛的(de)(de)3相(xiang)BLDC。

（1） 定子

BLDC定(ding)(ding)子是由許多(duo)硅鋼(gang)片經過疊壓和軸向(xiang)沖壓而成(cheng)，每個沖槽內都(dou)有一定(ding)(ding)的(de)線圈組(zu)成(cheng)了(le)繞(rao)(rao)組(zu)，可以參見下圖。從傳統意義上(shang)(shang)講，BLDC的(de)定(ding)(ding)子和感應電機的(de)定(ding)(ding)子有點(dian)類似(si)，不(bu)過在(zai)定(ding)(ding)子繞(rao)(rao)組(zu)的(de)分布(bu)上(shang)(shang)有一定(ding)(ding)的(de)差別。大多(duo)數(shu)的(de)BLDC定(ding)(ding)子有3個呈星行排列的(de)繞(rao)(rao)組(zu)，每個繞(rao)(rao)組(zu)又(you)由許多(duo)內部結合的(de)鋼(gang)片按照一定(ding)(ding)的(de)方式組(zu)成(cheng)，偶(ou)數(shu)個繞(rao)(rao)組(zu)分布(bu)在(zai)定(ding)(ding)子的(de)周圍組(zu)成(cheng)了(le)偶(ou)數(shu)個磁極。

圖2.1.1. BLDC內部結構

BLDC的(de)(de)(de)定(ding)子繞組可以分為(wei)梯形和正弦(xian)兩(liang)種繞組，它(ta)們(men)的(de)(de)(de)根(gen)本(ben)區(qu)別在于由(you)于繞組的(de)(de)(de)不同連接方式使它(ta)們(men)產生(sheng)的(de)(de)(de)反電(dian)(dian)動勢（反電(dian)(dian)動勢的(de)(de)(de)相關(guan)介紹(shao)請參加EMF一節）不同，分別呈(cheng)現梯形和正弦(xian)波形，故用(yong)此命名了。梯形和正弦(xian)繞組產生(sheng)的(de)(de)(de)反電(dian)(dian)動勢的(de)(de)(de)波形圖如(ru)下圖。

另(ling)外還需要對(dui)反電動勢(shi)的(de)(de)(de)一點說明(ming)就(jiu)是繞(rao)(rao)組(zu)的(de)(de)(de)不同其相(xiang)電流(liu)也是呈現梯(ti)形(xing)(xing)和正弦(xian)波(bo)形(xing)(xing)，可想而知正弦(xian)繞(rao)(rao)組(zu)由于(yu)(yu)波(bo)形(xing)(xing)平滑所以(yi)運行(xing)起來(lai)相(xiang)對(dui)梯(ti)形(xing)(xing)繞(rao)(rao)組(zu)來(lai)說就(jiu)更平穩一些。但是，正弦(xian)型繞(rao)(rao)組(zu)由于(yu)(yu)有更多繞(rao)(rao)組(zu)使得其在銅線的(de)(de)(de)使用上就(jiu)相(xiang)對(dui)梯(ti)形(xing)(xing)繞(rao)(rao)組(zu)要多。

平時由(you)于應(ying)用(yong)電(dian)(dian)壓的(de)不(bu)同(tong)，我們可(ke)(ke)以(yi)根據需要選擇不(bu)同(tong)電(dian)(dian)壓范圍的(de)無刷電(dian)(dian)機(ji)(ji)。48V及(ji)其以(yi)下應(ying)用(yong)電(dian)(dian)壓的(de)電(dian)(dian)機(ji)(ji)可(ke)(ke)以(yi)用(yong)在汽車、機(ji)(ji)器人、小型機(ji)(ji)械臂等方面。100V及(ji)其以(yi)上電(dian)(dian)壓范圍的(de)電(dian)(dian)機(ji)(ji)可(ke)(ke)以(yi)用(yong)在專用(yong)器具、自動控制以(yi)及(ji)工業生產(chan)領域(yu)。

（2）轉子

定子(zi)是(shi)2至8對永磁體按(an)照N極和S極交替排(pai)列在轉子(zi)周圍構成的(de)（內(nei)轉子(zi)型(xing)），如果是(shi)外轉子(zi)型(xing)BLDC那么就是(shi)貼在轉子(zi)內(nei)壁咯。如圖(tu)2.2.1所示；

圖2.2.1 轉子磁極排布

（3）霍爾傳感器

與有刷直(zhi)流電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機不同，無(wu)刷直(zhi)流電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機使(shi)(shi)用電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)方式(shi)換向。要(yao)(yao)使(shi)(shi)BLDC轉(zhuan)(zhuan)起來，必須要(yao)(yao)按(an)照一定(ding)(ding)的(de)(de)順序(xu)給(gei)定(ding)(ding)子(zi)(zi)(zi)通電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)，那么我們就(jiu)需(xu)要(yao)(yao)知道轉(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)位(wei)置(zhi)(zhi)以便(bian)按(an)照通電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)次序(xu)給(gei)相應(ying)的(de)(de)定(ding)(ding)子(zi)(zi)(zi)線圈通電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。定(ding)(ding)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)位(wei)置(zhi)(zhi)是由嵌入到(dao)定(ding)(ding)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)霍(huo)爾(er)(er)傳感(gan)器(qi)感(gan)知的(de)(de)。通常會安排3個霍(huo)爾(er)(er)傳感(gan)器(qi)在轉(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)旋轉(zhuan)(zhuan)路徑周圍。無(wu)論何時，只要(yao)(yao)轉(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)磁(ci)極(ji)掠過霍(huo)爾(er)(er)元件(jian)(jian)時，根據(ju)轉(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)當(dang)前磁(ci)極(ji)的(de)(de)極(ji)性霍(huo)爾(er)(er)元件(jian)(jian)會輸出對(dui)(dui)應(ying)的(de)(de)高或低電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)平，這(zhe)樣只要(yao)(yao)根據(ju)3個霍(huo)爾(er)(er)元件(jian)(jian)產生(sheng)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)平的(de)(de)時序(xu)就(jiu)可以判斷當(dang)前轉(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)位(wei)置(zhi)(zhi)，并相應(ying)的(de)(de)對(dui)(dui)定(ding)(ding)子(zi)(zi)(zi)繞組進行通電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。

霍爾(er)(er)效應：當(dang)通電(dian)導體(ti)(ti)(ti)處(chu)(chu)于磁(ci)(ci)(ci)場中，由于磁(ci)(ci)(ci)場的作用(yong)力使得(de)導體(ti)(ti)(ti)內的電(dian)荷(he)會向(xiang)導體(ti)(ti)(ti)的一側(ce)聚集(ji)，當(dang)薄平板(ban)通電(dian)導體(ti)(ti)(ti)處(chu)(chu)于磁(ci)(ci)(ci)場中時(shi)這(zhe)種(zhong)效應更為(wei)明顯，這(zhe)樣一側(ce)聚集(ji)了(le)(le)電(dian)荷(he)的導體(ti)(ti)(ti)會抵消磁(ci)(ci)(ci)場的這(zhe)種(zhong)影響(xiang)，由于電(dian)荷(he)在導體(ti)(ti)(ti)一側(ce)的聚集(ji)，從而(er)使得(de)導體(ti)(ti)(ti)兩(liang)側(ce)產(chan)生電(dian)壓，這(zhe)種(zhong)現(xian)象(xiang)就稱為(wei)霍爾(er)(er)效應，E.H霍爾(er)(er)在1879年發現(xian)了(le)(le)這(zhe)一現(xian)象(xiang)，故以此命名。

圖2.3.1 霍爾(er)傳感器測量原理

圖(tu) 2.3.1顯示了NS磁極交替(ti)排列的(de)(de)(de)轉(zhuan)子(zi)的(de)(de)(de)橫截(jie)面(mian)。霍(huo)(huo)(huo)爾元件(jian)(jian)安(an)放在(zai)(zai)電(dian)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)固定位置，將霍(huo)(huo)(huo)爾元件(jian)(jian)安(an)放到(dao)電(dian)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)定子(zi)是比較(jiao)復雜的(de)(de)(de)，因為如果(guo)安(an)放時位置沒有和轉(zhuan)子(zi)的(de)(de)(de)磁場(chang)(chang)相切那么(me)就(jiu)(jiu)可能(neng)導致霍(huo)(huo)(huo)爾元件(jian)(jian)的(de)(de)(de)測量值不能(neng)準確(que)的(de)(de)(de)反(fan)應(ying)轉(zhuan)子(zi)當前的(de)(de)(de)位置，鑒于以上原因，為了簡(jian)化霍(huo)(huo)(huo)爾元件(jian)(jian)的(de)(de)(de)安(an)裝，通常在(zai)(zai)電(dian)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)轉(zhuan)子(zi)上安(an)裝一顆冗余(yu)的(de)(de)(de)磁體，這(zhe)個磁體專門(men)用來感應(ying)霍(huo)(huo)(huo)爾元件(jian)(jian)，這(zhe)樣就(jiu)(jiu)能(neng)起到(dao)和轉(zhuan)子(zi)磁體感應(ying)的(de)(de)(de)相同效果(guo)，霍(huo)(huo)(huo)爾元件(jian)(jian)一般按照(zhao)圓周(zhou)安(an)放在(zai)(zai)印刷電(dian)路板上并配備了調節蓋，這(zhe)樣用戶就(jiu)(jiu)可以根據磁場(chang)(chang)的(de)(de)(de)方(fang)向非常方(fang)便的(de)(de)(de)調節霍(huo)(huo)(huo)爾元件(jian)(jian)的(de)(de)(de)位置以便使它工作(zuo)在(zai)(zai)最佳狀態。

霍(huo)爾(er)元件(jian)位置的(de)(de)安排上(shang)，有(you)60°夾(jia)角和(he)120°夾(jia)角兩種(zhong)。基(ji)于這種(zhong)擺放形式，BLDC的(de)(de)電(dian)流換向(xiang)順(shun)序(xu)(xu)由制(zhi)造廠商制(zhi)定，當我(wo)們控制(zhi)電(dian)機的(de)(de)時候(hou)就需要(yao)用(yong)到這種(zhong)換向(xiang)順(shun)序(xu)(xu)。

注(zhu)意：霍爾元(yuan)件的電(dian)(dian)壓范(fan)圍從(cong)(cong)4V到24V不等，電(dian)(dian)流(liu)范(fan)圍從(cong)(cong)5mA到15mA不等，所以在考慮(lv)控制器時要考慮(lv)到霍爾元(yuan)件的電(dian)(dian)流(liu)和電(dian)(dian)壓要求。另外，霍爾元(yuan)件輸出集電(dian)(dian)極開路，使用時需要接上拉電(dian)(dian)阻。

（4）操作原理

每一(yi)次換向都(dou)會有一(yi)組(zu)繞組(zu)處于(yu)正向通(tong)電(dian)；第二(er)組(zu)反相通(tong)電(dian)；第三組(zu)不通(tong)電(dian)。轉(zhuan)子(zi)永(yong)磁(ci)(ci)(ci)體(ti)的(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)和定子(zi)鋼片產(chan)生(sheng)的(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)相互(hu)作用就(jiu)產(chan)生(sheng)了轉(zhuan)矩，理論上，當這兩個磁(ci)(ci)(ci)場(chang)夾(jia)角為(wei)90°時會產(chan)生(sheng)最大(da)的(de)(de)轉(zhuan)矩，當這兩個磁(ci)(ci)(ci)場(chang)重合時轉(zhuan)矩變(bian)(bian)為(wei)0，為(wei)了使轉(zhuan)子(zi)不停(ting)的(de)(de)轉(zhuan)動(dong)，那么(me)就(jiu)需要按順序(xu)改變(bian)(bian)定子(zi)的(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)，就(jiu)像轉(zhuan)子(zi)的(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)一(yi)直在(zai)追趕定子(zi)的(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)一(yi)樣。典型的(de)(de)“六步電(dian)流(liu)換向”順序(xu)圖展示了定子(zi)內繞組(zu)的(de)(de)通(tong)電(dian)次序(xu)。

（5）轉矩/轉速特性

圖 2.5.1 轉(zhuan)矩(ju)(ju)和(he)(he)速(su)(su)度特性顯示了轉(zhuan)矩(ju)(ju)和(he)(he)轉(zhuan)速(su)(su)特性。BLDC一共有(you)兩種轉(zhuan)矩(ju)(ju)度量(liang)：最大轉(zhuan)矩(ju)(ju)和(he)(he)額(e)定(ding)(ding)轉(zhuan)矩(ju)(ju)。當電(dian)機連續運(yun)轉(zhuan)的(de)時候表現出來的(de)就是額(e)定(ding)(ding)轉(zhuan)矩(ju)(ju)。在(zai)無刷(shua)電(dian)機達(da)到(dao)額(e)定(ding)(ding)轉(zhuan)速(su)(su)之前，轉(zhuan)矩(ju)(ju)不(bu)變，無刷(shua)電(dian)機最高轉(zhuan)速(su)(su)可(ke)以達(da)到(dao)額(e)定(ding)(ding)轉(zhuan)速(su)(su)的(de)150%，但(dan)是超(chao)速(su)(su)時電(dian)機的(de)轉(zhuan)矩(ju)(ju)會相應下降。

在實(shi)際的(de)應用(yong)中(zhong)，我(wo)們(men)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，此時(shi)就需(xu)要(yao)(yao)比額定(ding)轉(zhuan)矩(ju)(ju)更(geng)大的(de)轉(zhuan)矩(ju)(ju)。特別(bie)是當(dang)轉(zhuan)子靜止和(he)反方向加速時(shi)啟動電(dian)(dian)機，這個時(shi)候就需(xu)要(yao)(yao)更(geng)大的(de)轉(zhuan)矩(ju)(ju)來抵(di)消負(fu)載(zai)和(he)轉(zhuan)子自身(shen)的(de)慣(guan)性(xing)，這個時(shi)候就需(xu)要(yao)(yao)提供最大的(de)轉(zhuan)矩(ju)(ju)一直到電(dian)(dian)機進入正向轉(zhuan)矩(ju)(ju)曲線階(jie)段。

3、換向時序

圖(tu)2.6.1顯(xian)示了霍爾元件的輸出(chu)、反(fan)電動(dong)勢和(he)相電流的關系。圖(tu)2.6.2顯(xian)示了根(gen)據(ju)霍爾元件輸出(chu)的波形應該繞組通(tong)電的時序。

圖(tu)2.6.1中的(de)(de)通(tong)電(dian)序號(hao)對應的(de)(de)就(jiu)(jiu)(jiu)是圖(tu)2.6.2中的(de)(de)序號(hao)，每隔(ge)60°夾角其中一(yi)個霍爾(er)元件就(jiu)(jiu)(jiu)會改(gai)變一(yi)次其輸(shu)出特性(xing)，那(nei)么一(yi)圈(quan)（通(tong)電(dian)周(zhou)(zhou)期）下來就(jiu)(jiu)(jiu)會有6次變化，同時相電(dian)流也會每60°改(gai)變一(yi)次。但是，每完成一(yi)個通(tong)電(dian)周(zhou)(zhou)期并(bing)不會使(shi)轉子轉動一(yi)周(zhou)(zhou),轉子轉動一(yi)周(zhou)(zhou)需(xu)要(yao)的(de)(de)通(tong)電(dian)周(zhou)(zhou)期數(shu)(shu)目和轉子上的(de)(de)磁極的(de)(de)對數(shu)(shu)相關，轉子有多少對磁極那(nei)么就(jiu)(jiu)(jiu)需(xu)要(yao)多少個通(tong)電(dian)周(zhou)(zhou)期。

圖2.6.3是關于使用MCU控制無(wu)刷電(dian)機(ji)的原理(li)圖，其中微(wei)控制器PIC18FXX31控制Q0-Q5組成(cheng)的驅(qu)動電(dian)路按照(zhao)一定的時序為(wei)BLDC通電(dian)，根據電(dian)機(ji)電(dian)壓和電(dian)流的不同(tong)可以(yi)選擇不同(tong)的驅(qu)動電(dian)路，如MOSFET、IGBT或者(zhe)直(zhi)接使用雙極性三極管。

表(biao)(biao)2.6.1和表(biao)(biao)2.6.2表(biao)(biao)示(shi)的(de)(de)是(shi)(shi)(shi)基于霍爾輸入時在A、B、C繞組上的(de)(de)通電時序。表(biao)(biao)2.6.1是(shi)(shi)(shi)轉子(zi)順時針轉動(dong)的(de)(de)時序，表(biao)(biao)2.6.2是(shi)(shi)(shi)轉子(zi)逆時針轉動(dong)的(de)(de)時序。上面兩個表(biao)(biao)格顯(xian)示(shi)的(de)(de)是(shi)(shi)(shi)當霍爾元(yuan)件呈(cheng)60°排(pai)列時的(de)(de)驅(qu)動(dong)波(bo)形(xing)，前面也(ye)提到霍爾元(yuan)件還可以呈(cheng)120°的(de)(de)夾角(jiao)排(pai)列，那么這個時候就(jiu)需(xu)要(yao)相應的(de)(de)驅(qu)動(dong)波(bo)形(xing)，這些波(bo)形(xing)都(dou)可以在電機生產商的(de)(de)資料里找到，應用(yong)時需(xu)要(yao)嚴格遵(zun)守通電時序。

假設驅動(dong)(dong)(dong)電(dian)(dian)(dian)壓和(he)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)運行時(shi)的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)壓相(xiang)等(deng)（包括驅動(dong)(dong)(dong)電(dian)(dian)(dian)路本身的(de)(de)(de)(de)損耗），當(dang)PWMx按照給定(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)時(shi)序開和(he)關時(shi)無(wu)(wu)刷(shua)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)將(jiang)會以額(e)定(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)轉(zhuan)速(su)旋轉(zhuan)。為了調(diao)速(su)，我們(men)使用(yong)(yong)遠高于電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)運轉(zhuan)頻率的(de)(de)(de)(de)PWM波驅動(dong)(dong)(dong)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)，通(tong)常我們(men)需(xu)(xu)要至少10倍(bei)于電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)最高頻率的(de)(de)(de)(de)PWM驅動(dong)(dong)(dong)波形(xing)(xing)。當(dang)PWM驅動(dong)(dong)(dong)波形(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)占(zhan)空比變(bian)化時(shi)，使得其(qi)在定(ding)(ding)子上的(de)(de)(de)(de)有效(xiao)電(dian)(dian)(dian)壓變(bian)化，這就(jiu)實現了無(wu)(wu)刷(shua)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)調(diao)速(su)，另(ling)外(wai)，當(dang)驅動(dong)(dong)(dong)電(dian)(dian)(dian)源電(dian)(dian)(dian)壓高于電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)本身的(de)(de)(de)(de)額(e)定(ding)(ding)電(dian)(dian)(dian)壓時(shi)，我們(men)可(ke)(ke)以調(diao)節PWM的(de)(de)(de)(de)占(zhan)空比來使得驅動(dong)(dong)(dong)電(dian)(dian)(dian)源電(dian)(dian)(dian)壓適合(he)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)額(e)定(ding)(ding)驅動(dong)(dong)(dong)電(dian)(dian)(dian)壓。可(ke)(ke)想而(er)知，我們(men)可(ke)(ke)以使用(yong)(yong)同(tong)一(yi)(yi)(yi)個控制(zhi)器(qi)去掛接不同(tong)額(e)定(ding)(ding)電(dian)(dian)(dian)壓的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)，此時(shi)只需(xu)(xu)要用(yong)(yong)控制(zhi)器(qi)改變(bian)一(yi)(yi)(yi)下(xia)PWM的(de)(de)(de)(de)占(zhan)空比就(jiu)行了。 另(ling)外(wai)還有一(yi)(yi)(yi)種(zhong)控制(zhi)方式：當(dang)微控制(zhi)器(qi)的(de)(de)(de)(de)PWM輸出不夠用(yong)(yong)時(shi)，可(ke)(ke)以在整個通(tong)電(dian)(dian)(dian)時(shi)序內將(jiang)上臂一(yi)(yi)(yi)直導(dao)通(tong)（即上臂不使用(yong)(yong)PWM）而(er)下(xia)臂使用(yong)(yong)PWM驅動(dong)(dong)(dong)。

圖 2.6.3中連接數字和模擬轉換通道的(de)分壓電路提(ti)供了一定(ding)速度的(de)參(can)考電壓，有了這(zhe)個電壓，我(wo)們(men)就(jiu)可以計算PWM波(bo)形的(de)有效值。

（1）閉環控制

我們可以通過(guo)閉(bi)環測量當前電(dian)機的轉(zhuan)速(su)(su)而達(da)到控(kong)制(zhi)電(dian)機的轉(zhuan)速(su)(su)的目的，我們通過(guo)計算(suan)期望轉(zhuan)速(su)(su)和實際轉(zhuan)速(su)(su)的誤(wu)差，然后使用PID算(suan)法去(qu)調節PWM的占空比以達(da)到控(kong)制(zhi)電(dian)機轉(zhuan)速(su)(su)的目的。

對(dui)于低成本(ben)，低轉速的應用場合，可以使(shi)用霍爾傳感器獲得(de)轉速反饋。利(li)用PIC18FXX31微控(kong)制器本(ben)身的一個(ge)定時器去測量兩(liang)個(ge)霍爾元件輸出信號，然后根據這個(ge)信號得(de)出實際的轉速。

在高轉速(su)應用場(chang)合，我們可以(yi)在電機(ji)上(shang)裝上(shang)光電編(bian)碼(ma)器，可以(yi)利(li)用其輸(shu)出(chu)相差90°的(de)(de)信號(hao)進行(xing)轉速(su)和轉向的(de)(de)測量。通常，光電編(bian)碼(ma)器還可以(yi)輸(shu)出(chu)PPR信號(hao)，使得可以(yi)進行(xing)較精(jing)確的(de)(de)轉子(zi)定(ding)位，編(bian)碼(ma)器的(de)(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(yue)多(duo)，精(jing)度越(yue)高。

4、反電動勢（BACK EMF）

根據(ju)楞(leng)次定律，當BLDC轉動(dong)時其(qi)繞組(zu)會產生與(yu)繞組(zu)兩端電(dian)壓(ya)(ya)相反(fan)(fan)(fan)方向的(de)反(fan)(fan)(fan)向電(dian)壓(ya)(ya)，這(zhe)就是反(fan)(fan)(fan)電(dian)動(dong)勢(shi)（BACK EMF）。記住，反(fan)(fan)(fan)電(dian)動(dong)勢(shi)和繞組(zu)所加電(dian)壓(ya)(ya)是反(fan)(fan)(fan)向的(de)。決定反(fan)(fan)(fan)電(dian)動(dong)勢(shi)的(de)主要因(yin)素有以下(xia)幾點：

· 轉子(zi)的角速度；

· 轉子(zi)永磁體的磁場強(qiang)度；

· 每個定子繞組纏(chan)繞的線(xian)圈數量(liang)。

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

· N為每(mei)相繞組的線圈數(shu)量

· L轉子的長度

· B為轉子的磁通密(mi)度(du)

· W為轉子的角速度

當電(dian)機一旦做(zuo)好，那么其(qi)繞組的(de)線圈數(shu)量和(he)永(yong)磁體(ti)的(de)磁通密度(du)就(jiu)定了，由公式可知，唯一決(jue)定反(fan)電(dian)動(dong)(dong)(dong)勢(shi)的(de)量就(jiu)是轉子的(de)角速度(du)（也可以換算為線速度(du)）且角速度(du)和(he)反(fan)電(dian)動(dong)(dong)(dong)勢(shi)成(cheng)正比。廠家一般(ban)會(hui)提供電(dian)機的(de)反(fan)電(dian)動(dong)(dong)(dong)勢(shi)常量，通過它我們可以用來估計某一轉速下反(fan)電(dian)動(dong)(dong)(dong)勢(shi)的(de)大小(xiao)。

繞組上的電(dian)壓(ya)等于(yu)供(gong)(gong)電(dian)電(dian)壓(ya)減去反(fan)(fan)電(dian)動(dong)勢，廠家在設計電(dian)機的時(shi)(shi)候會選(xuan)取適當(dang)的反(fan)(fan)電(dian)動(dong)勢常量以(yi)便電(dian)機工(gong)作時(shi)(shi)有足(zu)夠的電(dian)壓(ya)差可以(yi)使電(dian)機達(da)到(dao)額定轉(zhuan)速(su)并具有足(zu)夠的轉(zhuan)矩(ju)。當(dang)電(dian)機超過(guo)額定轉(zhuan)速(su)工(gong)作時(shi)(shi)，反(fan)(fan)電(dian)動(dong)勢會持續上升，這(zhe)時(shi)(shi)加在電(dian)機繞組間的有效電(dian)壓(ya)會下(xia)降，電(dian)流(liu)(liu)會減少，扭(niu)矩(ju)會下(xia)降，當(dang)反(fan)(fan)電(dian)動(dong)勢和供(gong)(gong)電(dian)電(dian)壓(ya)相等的時(shi)(shi)候，電(dian)流(liu)(liu)降為0，扭(niu)矩(ju)為0，電(dian)機達(da)到(dao)極限轉(zhuan)速(su)

5、無傳感器BLDC控制

目前為止(zhi)，我們所討(tao)論的(de)都是基于霍(huo)爾(er)(er)元件獲取電(dian)機(ji)轉子位(wei)置的(de)換向器控制方式，其實可以直(zhi)接通(tong)過測量電(dian)機(ji)反電(dian)動勢(shi)(shi)而知(zhi)道(dao)轉子的(de)位(wei)置，在 圖 2.6.1中已(yi)經可以比較清(qing)晰的(de)看出反電(dian)動勢(shi)(shi)和霍(huo)爾(er)(er)元件輸出信號之(zhi)間的(de)關系。

通過(guo)前些章節的(de)(de)(de)討論，我們可以看出(chu)在(zai)任何時候，電(dian)(dian)機的(de)(de)(de)繞組都是有一相(xiang)為正(zheng)向(xiang)通電(dian)(dian)、一相(xiang)為反向(xiang)通電(dian)(dian)和另外一相(xiang)為不(bu)通電(dian)(dian)。當某相(xiang)反電(dian)(dian)動(dong)勢反向(xiang)的(de)(de)(de)時候霍爾傳感器(qi)的(de)(de)(de)輸出(chu)也跟著(zhu)變化。理想狀態下，霍爾元(yuan)件的(de)(de)(de)輸出(chu)會(hui)在(zai)相(xiang)反電(dian)(dian)動(dong)勢過(guo)零的(de)(de)(de)時候發生改變，實際(ji)應用時會(hui)有一段小的(de)(de)(de)延(yan)遲，這種延(yan)遲可以通過(guo)微控制器(qi)補償。

圖 3.1.1為利用反電(dian)動勢過(guo)零檢測的(de)方式來控制BLDC。

還(huan)有一方(fang)(fang)面需(xu)(xu)要考(kao)慮(lv)：當(dang)電機(ji)轉(zhuan)速(su)比較(jiao)低的(de)時(shi)候，反(fan)電動(dong)勢會比較(jiao)小，以(yi)(yi)致(zhi)過(guo)(guo)零(ling)檢(jian)測(ce)電路無(wu)法正常(chang)檢(jian)測(ce)，這(zhe)(zhe)個(ge)時(shi)候在(zai)電機(ji)啟(qi)(qi)動(dong)階段就需(xu)(xu)要使用開環控(kong)制(zhi)(zhi)，當(dang)電機(ji)啟(qi)(qi)動(dong)到產生可以(yi)(yi)過(guo)(guo)零(ling)檢(jian)測(ce)的(de)反(fan)電動(dong)勢轉(zhuan)速(su)時(shi)，系統就需(xu)(xu)要切換(huan)到過(guo)(guo)零(ling)檢(jian)測(ce)控(kong)制(zhi)(zhi)模(mo)式，進行閉環控(kong)制(zhi)(zhi)。最(zui)低的(de)過(guo)(guo)零(ling)檢(jian)測(ce)轉(zhuan)速(su)可以(yi)(yi)根(gen)據(ju)電機(ji)的(de)反(fan)電動(dong)勢常(chang)量計算出來。根(gen)據(ju)這(zhe)(zhe)個(ge)原理，可以(yi)(yi)去(qu)除(chu)霍(huo)爾元(yuan)件(jian)以(yi)(yi)及因其安裝(zhuang)的(de)輔助磁體(ti)，這(zhe)(zhe)樣就可以(yi)(yi)簡化制(zhi)(zhi)造節約成本。另外，除(chu)去(qu)了(le)霍(huo)爾元(yuan)件(jian)的(de)電機(ji)可以(yi)(yi)安裝(zhuang)在(zai)一些粉塵(chen)和(he)油(you)污(wu)比較(jiao)大(da)的(de)地方(fang)(fang)而無(wu)須為(wei)保證霍(huo)爾的(de)正常(chang)工(gong)作而定時(shi)進行清理，與此同時(shi)，這(zhe)(zhe)種免維護電機(ji)還(huan)可以(yi)(yi)安裝(zhuang)在(zai)人很難觸及的(de)地方(fang)(fang)。

6、選擇合適的BLDC

為實際應用選擇合適的(de)(de)(de)電機是至關重(zhong)要的(de)(de)(de)。根據電機的(de)(de)(de)負載特(te)性，需要確定合適的(de)(de)(de)電機參數。其主要參數有(you)以下(xia)幾點：

·應用是(shi)的最大扭矩要求；

·平方(fang)根(RMS)扭(niu)矩需求；

·轉速要求。

（1）最大扭矩

最大的(de)扭(niu)(niu)矩(ju)可(ke)以(yi)通過(guo)將負載扭(niu)(niu)矩(ju)、轉動慣量和(he)摩擦力相加得到(dao)。另(ling)外(wai)，還有(you)(you)一些額外(wai)的(de)因素(su)影(ying)響最大需(xu)求扭(niu)(niu)矩(ju)如：氣隙空(kong)氣的(de)阻力等(deng)，這(zhe)就需(xu)要至少(shao)20%的(de)扭(niu)(niu)矩(ju)余(yu)量，綜(zong)上所述，有(you)(you)以(yi)下等(deng)式：

TP = (TL + TJ + TF) * 1.2

TJ為(wei)電機(ji)(ji)啟(qi)動或(huo)加速過程需要克(ke)服(fu)的(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)動力(li)矩(ju)，其主要包括電機(ji)(ji)轉(zhuan)(zhuan)子(zi)的(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)動力(li)矩(ju)和負(fu)載的(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)動力(li)矩(ju)，其表示為(wei)：

TJ = JL + M * α

上式(shi)中α為(wei)加速度，JL+M為(wei)定子和負載(zai)的(de)轉動力(li)矩。 電機(ji)(ji)的(de)機(ji)(ji)械(xie)軸決(jue)定電機(ji)(ji)的(de)負載(zai)力(li)矩和摩(mo)擦(ca)力(li)。

（2）平方根扭矩

可(ke)以近似的(de)認為(wei)(wei)平(ping)方根扭矩(ju)為(wei)(wei)實際應用中(zhong)需要的(de)持(chi)續輸出扭矩(ju)。它由很(hen)多(duo)因素決定(ding)：最大扭矩(ju)、負載扭矩(ju)、轉(zhuan)動慣量(liang)、加(jia)速(su)(su)、減速(su)(su)以及運(yun)行時(shi)間(jian)。下面的(de)等式(shi)表示了平(ping)方根扭矩(ju)的(de)計算，其(qi)中(zhong)TA為(wei)(wei)加(jia)速(su)(su)時(shi)間(jian)、TD為(wei)(wei)減速(su)(su)時(shi)間(jian)和TR為(wei)(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

這是有(you)應用(yong)需(xu)求(qiu)的(de)轉(zhuan)(zhuan)速(su)。比(bi)如，吹(chui)風機的(de)轉(zhuan)(zhuan)速(su)需(xu)求(qiu)是，最(zui)高轉(zhuan)(zhuan)速(su)和平均轉(zhuan)(zhuan)速(su)相差不大，顯然在一些點對點定位系統如傳送(song)帶和機械(xie)臂系統中就需(xu)要大轉(zhuan)(zhuan)速(su)范圍(wei)的(de)電(dian)(dian)機，可以根據電(dian)(dian)機的(de)轉(zhuan)(zhuan)速(su)梯形曲線（）確定電(dian)(dian)機的(de)轉(zhuan)(zhuan)速(su)需(xu)求(qiu)。通常，由于其他因素，在計算電(dian)(dian)機轉(zhuan)(zhuan)速(su)需(xu)求(qiu)的(de)時候(hou)需(xu)要留有(you)10%余(yu)量。

7、BLDC典型應用

BLDC的應用(yong)十分廣泛(fan)，如汽車(che)、工(gong)具(ju)、工(gong)業工(gong)控(kong)、自動(dong)化以及航(hang)(hang)空航(hang)(hang)天等等。總的來說，BLDC可以分為(wei)以下三種主要(yao)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

這種應用(yong)(yong)主要用(yong)(yong)于那些需要一(yi)定轉(zhuan)(zhuan)速但是(shi)對轉(zhuan)(zhuan)速精度要求不高(gao)的(de)領(ling)域，比(bi)如風扇、抽水機、吹(chui)風氣等一(yi)類的(de)應用(yong)(yong)。通常這類應用(yong)(yong)成本(ben)比(bi)較低且(qie)多是(shi)開環控制。

（2）可變負載應用

這(zhe)類主(zhu)(zhu)要指的(de)(de)是(shi)電(dian)(dian)機(ji)轉(zhuan)(zhuan)速需要在某(mou)個范圍(wei)內變化的(de)(de)應(ying)用(yong)(yong)(yong)，在這(zhe)類應(ying)用(yong)(yong)(yong)中主(zhu)(zhu)要對(dui)電(dian)(dian)機(ji)的(de)(de)高轉(zhuan)(zhuan)速特性和動態響應(ying)特性有(you)(you)更高的(de)(de)要求。家用(yong)(yong)(yong)器具中的(de)(de)洗衣(yi)機(ji)、甩干(gan)機(ji)和壓(ya)縮機(ji)就是(shi)很好的(de)(de)例子。在汽車工(gong)業領域(yu)，油泵(beng)控(kong)(kong)制、電(dian)(dian)控(kong)(kong)制器、發動機(ji)控(kong)(kong)制和電(dian)(dian)子工(gong)具等也是(shi)很好的(de)(de)例子。在航(hang)空領域(yu)也有(you)(you)很多的(de)(de)應(ying)用(yong)(yong)(yong)，比如(ru)離(li)心機(ji)、泵(beng)、機(ji)械臂、陀螺儀等等。這(zhe)個領域(yu)中多使用(yong)(yong)(yong)電(dian)(dian)機(ji)反饋器件組成半開環(huan)和閉環(huan)進行控(kong)(kong)制。這(zhe)就需要復雜(za)的(de)(de)控(kong)(kong)制算法，增(zeng)加了控(kong)(kong)制器的(de)(de)復雜(za)程度也增(zeng)加了系統成本。

（3）定位應用

大多數(shu)的工(gong)業控制(zhi)(zhi)和(he)(he)自動控制(zhi)(zhi)方面的應(ying)用(yong)(yong)屬于這(zhe)個類(lei)別(bie)。在這(zhe)些應(ying)用(yong)(yong)中往往會(hui)完成能(neng)(neng)(neng)(neng)量(liang)的輸(shu)送，如(ru)齒(chi)輪或者(zhe)傳送帶(dai)，因此系統(tong)對電(dian)機(ji)的轉(zhuan)速(su)的動態響應(ying)和(he)(he)轉(zhuan)矩有(you)(you)(you)特別(bie)的要(yao)求，同時(shi)(shi)這(zhe)些應(ying)用(yong)(yong)也可能(neng)(neng)(neng)(neng)需要(yao)隨時(shi)(shi)的改變電(dian)機(ji)的轉(zhuan)向，電(dian)機(ji)可能(neng)(neng)(neng)(neng)工(gong)作在勻速(su)，加速(su)，減少階段(duan)，而(er)且有(you)(you)(you)可能(neng)(neng)(neng)(neng)在這(zhe)些階段(duan)中負(fu)載也在變化，所以這(zhe)對控制(zhi)(zhi)器(qi)(qi)提出了更高的要(yao)求，通常這(zhe)種控制(zhi)(zhi)使用(yong)(yong)閉環(huan)(huan)控制(zhi)(zhi)，甚至會(hui)有(you)(you)(you)扭(niu)矩環(huan)(huan)、速(su)度(du)環(huan)(huan)和(he)(he)位(wei)置環(huan)(huan)三個控制(zhi)(zhi)環(huan)(huan)。測速(su)時(shi)(shi)可能(neng)(neng)(neng)(neng)會(hui)用(yong)(yong)上光(guang)電(dian)編碼器(qi)(qi)和(he)(he)一些同步設備。有(you)(you)(you)時(shi)(shi)候(hou)這(zhe)些傳感器(qi)(qi)會(hui)被(bei)用(yong)(yong)于測量(liang)相對位(wei)置，也有(you)(you)(you)時(shi)(shi)候(hou)用(yong)(yong)于測量(liang)絕對位(wei)置。過程控制(zhi)(zhi)、機(ji)械控制(zhi)(zhi)和(he)(he)運輸(shu)控制(zhi)(zhi)很(hen)多都屬于這(zhe)類(lei)應(ying)用(yong)(yong)。

8、總結

總的(de)來說，無刷(shua)電(dian)機(ji)相對(dui)傳統的(de)有刷(shua)電(dian)機(ji)、感應(ying)電(dian)機(ji)而言，它(ta)擁有高的(de)轉(zhuan)(zhuan)速(su)/扭矩比、好動態特(te)(te)性(xing)、高效(xiao)率、長壽命、低噪聲、寬轉(zhuan)(zhuan)速(su)范圍(wei)和制造(zao)容易等(deng)等(deng)優(you)良(liang)特(te)(te)性(xing)。特(te)(te)別是去單(dan)位體(ti)積的(de)功率輸出特(te)(te)性(xing)使(shi)得其可以(yi)用(yong)于對(dui)尺寸(cun)和重(zhong)量(liang)敏感的(de)場合。這些(xie)優(you)良(liang)的(de)特(te)(te)性(xing)使(shi)得BLDC在工(gong)業控制領域、汽車(che)工(gong)業、航空(kong)航天等(deng)等(deng)領域有著非常(chang)廣泛的(de)應(ying)用(yong)！