本文要介紹在電機(jī)種類里，發(fā)展快速且應(yīng)用廣泛的無(wú)刷直流電機(jī)（簡(jiǎn)稱BLDC）。BLDC被廣泛應(yīng)用于日常生活用具、汽車(chē)工業(yè)、航空、消費(fèi)電子、醫(yī)學(xué)電子、工業(yè)自動(dòng)化等裝置和儀表中。

1.BLDC的優(yōu)點(diǎn)

BLDC不使用機(jī)械結(jié)構(gòu)的換向電刷而直接使用電子換向器，在使用中BLDC相比有刷電機(jī)有許多的優(yōu)點(diǎn)，比如：

·能獲得更好的扭矩轉(zhuǎn)速特性；·高速動(dòng)態(tài)響應(yīng)；·高效率；

·長(zhǎng)壽命；·低噪聲；·高轉(zhuǎn)速。

另外，BLDC更優(yōu)的扭矩和外形尺寸比使得它更適合用于對(duì)電機(jī)自身重量和大小比較敏感的場(chǎng)合。在這篇應(yīng)用筆記中將會(huì)對(duì)BLDC的結(jié)構(gòu)、基本原理、特性和應(yīng)用做一系列的探討。探討過(guò)程中可能用到的術(shù)語(yǔ)可以在附錄B“術(shù)語(yǔ)表”中找到相應(yīng)的解釋。

2.BLDC結(jié)構(gòu)和基本工作原理

BLDC屬于同步電機(jī)的一種，這就意味著它的定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)是同頻率的，所以BLDC并不會(huì)產(chǎn)生普通感應(yīng)電機(jī)的頻差現(xiàn)象。BLDC中又有單相、2相和

3相電機(jī)的區(qū)別，相類型的不同決定其定子線圈繞組的多少。在這里我們將集中討論的是應(yīng)用最為廣泛的3相BLDC。

2.1 定子

BLDC定子是由許多硅鋼片經(jīng)過(guò)疊壓和軸向沖壓而成，每個(gè)沖槽內(nèi)都有一定的線圈組成了繞組，可以參見(jiàn)下圖。從傳統(tǒng)意義上講，BLDC的定子和感應(yīng)電機(jī)的定子有點(diǎn)類似，不過(guò)在定子繞組的分布上有一定的差別。大多數(shù)的BLDC定子有3個(gè)呈星行排列的繞組，每個(gè)繞組又由許多內(nèi)部結(jié)合的鋼片按照一定的方式組成，偶數(shù)個(gè)繞組分布在定子的周?chē)M成了偶數(shù)個(gè)磁極。

圖2.1.1. BLDC內(nèi)部結(jié)構(gòu)

BLDC的定子繞組可以分為梯形和正弦兩種繞組，它們的根本區(qū)別在于由于繞組的不同連接方式使它們產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)（反電動(dòng)勢(shì)的相關(guān)介紹請(qǐng)參加EMF一節(jié)）不同，分別呈現(xiàn)梯形和正弦波形，故用此命名了。梯形和正弦繞組產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)的波形圖如下圖。

另外還需要對(duì)反電動(dòng)勢(shì)的一點(diǎn)說(shuō)明就是繞組的不同其相電流也是呈現(xiàn)梯形和正弦波形，可想而知正弦繞組由于波形平滑所以運(yùn)行起來(lái)相對(duì)梯形繞組來(lái)說(shuō)就更平穩(wěn)一些。但是，正弦型繞組由于有更多繞組使得其在銅線的使用上就相對(duì)梯形繞組要多。

平時(shí)由于應(yīng)用電壓的不同，我們可以根據(jù)需要選擇不同電壓范圍的無(wú)刷電機(jī)。48V及其以下應(yīng)用電壓的電機(jī)可以用在汽車(chē)、機(jī)器人、小型機(jī)械臂等方面。100V及其以上電壓范圍的電機(jī)可以用在專用器具、自動(dòng)控制以及工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。

2.2 轉(zhuǎn)子

定子是2至8對(duì)永磁體按照N極和S極交替排列在轉(zhuǎn)子周?chē)鷺?gòu)成的（內(nèi)轉(zhuǎn)子型），如果是外轉(zhuǎn)子型BLDC那么就是貼在轉(zhuǎn)子內(nèi)壁咯。如圖2.2.1所示；

圖2.2.1 轉(zhuǎn)子磁極排布

2.3 霍爾傳感器

與有刷直流電機(jī)不同，無(wú)刷直流電機(jī)使用電子方式換向。要使BLDC轉(zhuǎn)起來(lái)，必須要按照一定的順序給定子通電，那么我們就需要知道轉(zhuǎn)子的位置以便按照通電次序給相應(yīng)的定子線圈通電。定子的位置是由嵌入到定子的霍爾傳感器感知的。通常會(huì)安排3個(gè)霍爾傳感器在轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)路徑周?chē)o(wú)論何時(shí)，只要轉(zhuǎn)子的磁極掠過(guò)霍爾元件時(shí)，根據(jù)轉(zhuǎn)子當(dāng)前磁極的極性霍爾元件會(huì)輸出對(duì)應(yīng)的高或低電平，這樣只要根據(jù)3個(gè)霍爾元件產(chǎn)生的電平的時(shí)序就可以判斷當(dāng)前轉(zhuǎn)子的位置，并相應(yīng)的對(duì)定子繞組進(jìn)行通電。

霍爾效應(yīng)：當(dāng)通電導(dǎo)體處于磁場(chǎng)中，由于磁場(chǎng)的作用力使得導(dǎo)體內(nèi)的電荷會(huì)向?qū)w的一側(cè)聚集，當(dāng)薄平板通電導(dǎo)體處于磁場(chǎng)中時(shí)這種效應(yīng)更為明顯，這樣一側(cè)聚集了電荷的導(dǎo)體會(huì)抵消磁場(chǎng)的這種影響，由于電荷在導(dǎo)體一側(cè)的聚集，從而使得導(dǎo)體兩側(cè)產(chǎn)生電壓，這種現(xiàn)象就稱為霍爾效應(yīng)，E.H霍爾在1879年發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，故以此命名。

圖2.3.1 霍爾傳感器測(cè)量原理

圖 2.3.1顯示了NS磁極交替排列的轉(zhuǎn)子的橫截面。霍爾元件安放在電機(jī)的固定位置，將霍爾元件安放到電機(jī)的定子是比較復(fù)雜的，因?yàn)槿绻卜艜r(shí)位置沒(méi)有和轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)相切那么就可能導(dǎo)致霍爾元件的測(cè)量值不能準(zhǔn)確的反應(yīng)轉(zhuǎn)子當(dāng)前的位置，鑒于以上原因，為了簡(jiǎn)化霍爾元件的安裝，通常在電機(jī)的轉(zhuǎn)子上安裝一顆冗余的磁體，這個(gè)磁體專門(mén)用來(lái)感應(yīng)霍爾元件，這樣就能起到和轉(zhuǎn)子磁體感應(yīng)的相同效果，霍爾元件一般按照?qǐng)A周安放在印刷電路板上并配備了調(diào)節(jié)蓋，這樣用戶就可以根據(jù)磁場(chǎng)的方向非常方便的調(diào)節(jié)霍爾元件的位置以便使它工作在最佳狀態(tài)。

霍爾元件位置的安排上，有60°夾角和120°夾角兩種。基于這種擺放形式，BLDC的電流換向順序由制造廠商制定，當(dāng)我們控制電機(jī)的時(shí)候就需要用到這種換向順序。

注意：霍爾元件的電壓范圍從4V到24V不等，電流范圍從5mA到15mA不等，所以在考慮控制器時(shí)要考慮到霍爾元件的電流和電壓要求。另外，霍爾元件輸出集電極開(kāi)路，使用時(shí)需要接上拉電阻。

2.4 操作原理

每一次換向都會(huì)有一組繞組處于正向通電；第二組反相通電；第三組不通電。轉(zhuǎn)子永磁體的磁場(chǎng)和定子鋼片產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用就產(chǎn)生了轉(zhuǎn)矩，理論上，當(dāng)這兩個(gè)磁場(chǎng)夾角為90°時(shí)會(huì)產(chǎn)生最大的轉(zhuǎn)矩，當(dāng)這兩個(gè)磁場(chǎng)重合時(shí)轉(zhuǎn)矩變?yōu)?，為了使轉(zhuǎn)子不停的轉(zhuǎn)動(dòng)，那么就需要按順序改變定子的磁場(chǎng)，就像轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)一直在追趕定子的磁場(chǎng)一樣。典型的“六步電流換向”順序圖展示了定子內(nèi)繞組的通電次序。

2.5 轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速特性

圖 2.5.1 轉(zhuǎn)矩和速度特性顯示了轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速特性。BLDC一共有兩種轉(zhuǎn)矩度量：最大轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候表現(xiàn)出來(lái)的就是額定轉(zhuǎn)矩。在無(wú)刷電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速之前，轉(zhuǎn)矩不變，無(wú)刷電機(jī)最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的150%，但是超速時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩會(huì)相應(yīng)下降。

在實(shí)際的應(yīng)用中，我們常常會(huì)讓帶負(fù)載的電機(jī)啟動(dòng)、停轉(zhuǎn)和逆向運(yùn)行，此時(shí)就需要比額定轉(zhuǎn)矩更大的轉(zhuǎn)矩。特別是當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止和反方向加速時(shí)啟動(dòng)電機(jī)，這個(gè)時(shí)候就需要更大的轉(zhuǎn)矩來(lái)抵消負(fù)載和轉(zhuǎn)子自身的慣性，這個(gè)時(shí)候就需要提供最大的轉(zhuǎn)矩一直到電機(jī)進(jìn)入正向轉(zhuǎn)矩曲線階段。

圖2.5.1 轉(zhuǎn)矩和速度特性

3. 換向時(shí)序

圖2.6.1顯示了霍爾元件的輸出、反電動(dòng)勢(shì)和相電流的關(guān)系。圖2.6.2顯示了根據(jù)霍爾元件輸出的波形應(yīng)該繞組通電的時(shí)序。

圖2.6.1中的通電序號(hào)對(duì)應(yīng)的就是圖2.6.2中的序號(hào)，每隔60°夾角其中一個(gè)霍爾元件就會(huì)改變一次其輸出特性，那么一圈（通電周期）下來(lái)就會(huì)有6次變化，同時(shí)相電流也會(huì)每60°改變一次。但是，每完成一個(gè)通電周期并不會(huì)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一周,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一周需要的通電周期數(shù)目和轉(zhuǎn)子上的磁極的對(duì)數(shù)相關(guān)，轉(zhuǎn)子有多少對(duì)磁極那么就需要多少個(gè)通電周期。

圖2.6.3是關(guān)于使用MCU控制無(wú)刷電機(jī)的原理圖，其中微控制器PIC18FXX31控制Q0-Q5組成的驅(qū)動(dòng)電路按照一定的時(shí)序?yàn)锽LDC通電，根據(jù)電機(jī)電壓和電流的不同可以選擇不同的驅(qū)動(dòng)電路，如MOSFET、IGBT或者直接使用雙極性三極管。

表2.6.1和表2.6.2表示的是基于霍爾輸入時(shí)在A、B、C繞組上的通電時(shí)序。表2.6.1是轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)序，表2.6.2是轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)序。上面兩個(gè)表格顯示的是當(dāng)霍爾元件呈60°排列時(shí)的驅(qū)動(dòng)波形，前面也提到霍爾元件還可以呈120°的夾角排列，那么這個(gè)時(shí)候就需要相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)波形，這些波形都可以在電機(jī)生產(chǎn)商的資料里找到，應(yīng)用時(shí)需要嚴(yán)格遵守通電時(shí)序。

圖2.6.1 BLDC運(yùn)行時(shí)序

圖2.6.3 無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理圖

連接數(shù)字和模擬轉(zhuǎn)換通道的分壓電路提供了一定速度的參考電壓，有了這個(gè)電壓，我們就可以計(jì)算PWM波形的有效值。

3.1 閉環(huán)控制

我們可以通過(guò)閉環(huán)測(cè)量當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速而達(dá)到控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速的目的，我們通過(guò)計(jì)算期望轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的誤差，然后使用PID算法去調(diào)節(jié)PWM的占空比以達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

對(duì)于低成本，低轉(zhuǎn)速的應(yīng)用場(chǎng)合，可以使用霍爾傳感器獲得轉(zhuǎn)速反饋。利用PIC18FXX31微控制器本身的一個(gè)定時(shí)器去測(cè)量?jī)蓚€(gè)霍爾元件輸出信號(hào)，然后根據(jù)這個(gè)信號(hào)得出實(shí)際的轉(zhuǎn)速。

在高轉(zhuǎn)速應(yīng)用場(chǎng)合，我們可以在電機(jī)上裝上光電編碼器，可以利用其輸出相差90°的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的測(cè)量。通常，光電編碼器還可以輸出PPR信號(hào)，使得可以進(jìn)行較精確的轉(zhuǎn)子定位，編碼器的編碼刻度可以上百甚至上千，編碼刻度越多，精度越高。

4. 反電動(dòng)勢(shì)（BACK EMF）

根據(jù)楞次定律，當(dāng)BLDC轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)其繞組會(huì)產(chǎn)生與繞組兩端電壓相反方向的反向電壓，這就是反電動(dòng)勢(shì)（BACK EMF）。記住，反電動(dòng)勢(shì)和繞組所加電壓是反向的。決定反電動(dòng)勢(shì)的主要因素有以下幾點(diǎn)：

· 轉(zhuǎn)子的角速度；

· 轉(zhuǎn)子永磁體的磁場(chǎng)強(qiáng)度；

· 每個(gè)定子繞組纏繞的線圈數(shù)量。計(jì)算反電動(dòng)勢(shì)的公式：Back EMF = (E) ∝ NlBw 其中：· N為每相繞組的線圈數(shù)量· L轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)度· B為轉(zhuǎn)子的磁通密度· W為轉(zhuǎn)子的角速度

當(dāng)電機(jī)一旦做好，那么其繞組的線圈數(shù)量和永磁體的磁通密度就定了，由公式可知，唯一決定反電動(dòng)勢(shì)的量就是轉(zhuǎn)子的角速度（也可以換算為線速度）且角速度和反電動(dòng)勢(shì)成正比。廠家一般會(huì)提供電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)常量，通過(guò)它我們可以用來(lái)估計(jì)某一轉(zhuǎn)速下反電動(dòng)勢(shì)的大小。

繞組上的電壓等于供電電壓減去反電動(dòng)勢(shì)，廠家在設(shè)計(jì)電機(jī)的時(shí)候會(huì)選取適當(dāng)?shù)姆措妱?dòng)勢(shì)常量以便電機(jī)工作時(shí)有足夠的電壓差可以使電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速并具有足夠的轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電機(jī)超過(guò)額定轉(zhuǎn)速工作時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)會(huì)持續(xù)上升，這時(shí)加在電機(jī)繞組間的有效電壓會(huì)下降，電流會(huì)減少，扭矩會(huì)下降，當(dāng)反電動(dòng)勢(shì)和供電電壓相等的時(shí)候，電流降為0，扭矩為0，電機(jī)達(dá)到極限轉(zhuǎn)速