無刷直流電機(jī)的驅(qū)動的基本原理

BLDC電機(jī)是同步電機(jī)中的一種。也就是說，定子產(chǎn)生的磁場與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場具有相同的頻率。

定子：有兩種類型的定子繞組：梯形和正弦電機(jī)。以定子繞組中線圈的互連方式為依據(jù)來區(qū)分這兩種電機(jī)，不同的連接方式 會產(chǎn)生不 同類型的 反電動 勢 （Electromotive Force，EMF）。梯形電機(jī)具有梯形的反電動勢，正弦電機(jī)具有正弦形式的反電動勢。除了反電動勢外，兩類電機(jī)中的相電流也有梯形和正弦之分。這就使正弦電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩比梯形電機(jī)平滑。但是，隨之會帶來額外的成本，這是因為正弦電機(jī)中線圈在定子圓周上的分布形式會使繞組之間有額外的互連，從而增加了耗銅量。根據(jù)控制電源的輸出能力，選擇定子的額定電壓合適的電機(jī)。東莞有感無刷電機(jī)48 伏或更低額定電壓的電機(jī)適用于汽車、機(jī)器人和小型機(jī)械臂運動等應(yīng)用。100 伏或更高額定電壓的電機(jī)適用于家用電器、自動化和工業(yè)應(yīng)用。

轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子用永磁體制成，可有2 到 8對磁極，南磁極和北磁極交替排列。

霍爾傳感器 ：BLDC電機(jī)的換向是以電子方式控制的。要使 BLDC電機(jī)轉(zhuǎn)動，必須按一定的順序給定子繞組通電。為了確定按照通電順序哪一個繞組將得電，知道轉(zhuǎn)子的位置很重要。轉(zhuǎn)子的位置由定子中嵌入的霍爾效應(yīng)傳感器檢測。 每當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極經(jīng)過霍爾傳感器附近時，它們便會發(fā)出一個高電平或低電平信號，表示北磁極或南磁極正經(jīng)過該

傳感器。根據(jù)這三個霍爾傳感器信號的組合，就能決定換向的精確順序。

工作原理：每次換向，都有一個繞組連到控制電源的正極（電流進(jìn)入繞組），第二個繞組連到負(fù)極 （電流從中流出），第三個處于失電狀態(tài)。轉(zhuǎn)矩是由定子線圈產(chǎn)生的磁場和永磁體之間的相互作用產(chǎn)生的。理想狀態(tài)下，轉(zhuǎn)矩峰值出現(xiàn)在兩個磁場正交時，而在兩磁場平行時最弱。為了保持電機(jī)轉(zhuǎn)動，由定子繞組產(chǎn)生的磁場應(yīng)不斷變換位置，

因為轉(zhuǎn)子會向著與定子磁場平行的方向旋轉(zhuǎn)。 “六步換向”定義了給繞組加電的順序。

換向順序：每轉(zhuǎn)過60 個電角度，其中一個霍爾傳感器就會改變狀態(tài)。因此，完成電周期需要六步。在同步模式下，每轉(zhuǎn)過60 個電角度相電流切換一次。但是，一個電周期可能并不對應(yīng)于完整的轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)動周期。完成一圈機(jī)械轉(zhuǎn)動要重復(fù)的電周期數(shù)取決于轉(zhuǎn)子磁極的對數(shù)。一般對于六步換向來說，n個磁極對把電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度分為360/（6*n個）°。每對轉(zhuǎn)子磁極需要完成一個電周期。因此，電周期數(shù)/ 轉(zhuǎn)數(shù)等于轉(zhuǎn)子磁極對數(shù)。以彼此之間有 60 度相移的霍爾傳感器信號為例。正如我們之前在 “霍爾傳感器” 一節(jié)中討論的，霍爾傳感器彼此之間的相移可以是60°或 120°。在選擇控制特定電機(jī)的控制器時，應(yīng)遵循電機(jī)制造商定義的順序 。如果標(biāo)有PWMx 的信號根據(jù)該順序在導(dǎo)通（ON）和關(guān)斷（ OFF）之間切換，則電機(jī)將以額定轉(zhuǎn)速運行。這里假設(shè)直流母線電壓等于電機(jī)額定電壓加上開關(guān)兩端的電壓損耗。要改變轉(zhuǎn)速，這些信號必須以遠(yuǎn)高于電機(jī)頻率的頻率進(jìn)行脈寬調(diào)制 （Pulse Width Modulated，PWM）。作為一條經(jīng)驗法則， PWM 頻率至少應(yīng)該是電機(jī)最高頻率的 10 倍。 PWM的占空比在一次換向過程中變化時，提供給定子的平均電壓降低，從而降低了轉(zhuǎn)速。 PWM的另一個好處是，如果直流母線電壓比電機(jī)額定電壓高得多，可通過限制 PWM占空比對應(yīng)于電機(jī)額定電壓的百分比來控制電機(jī)。這就增加了靈活性，可使控制器能與具有不同額定電壓的電機(jī)協(xié)同工作，通過控制PWM 占空比使控制器的平均輸出電壓與電機(jī)額定電壓匹配。

閉環(huán)控制：可通過測量電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速來對轉(zhuǎn)速進(jìn)行閉環(huán)控制。首先計算設(shè)定轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速間的誤差?？梢杂帽壤? 積分 -微分 （ Proportional plus Integral plus Derivative，P.I.D.）控制器放大轉(zhuǎn)速誤差，動態(tài)調(diào)整PWM 占空比。對于低成本、低分辨率的轉(zhuǎn)速要求，可用霍爾信號測量轉(zhuǎn)速反饋。 可以用 PIC18FXX31 中的定時器計算霍爾信號兩個邊沿間的時間，并用該時間計算電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速。對于高分辨率轉(zhuǎn)速測量，可在電機(jī)上安裝光電式編碼器，它能給出具有90 度相位差的兩個信號。用這些信

號可以判定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。同時，多數(shù)編碼器還給出第三個索引信號，電機(jī)每轉(zhuǎn)動一周發(fā)出一個脈沖。它可以用在定位應(yīng)用中。光電式編碼器有不同的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)（Pulse Per Revolution，PPR）可選，范圍從幾百到幾千不等。