【導(dǎo)讀】本文要介紹在電機(jī)種類里，發(fā)展快速且應(yīng)用廣泛的無刷直流電機(jī)（簡稱BLDC）。BLDC被廣泛應(yīng)用于日常生活用具、汽車工業(yè)、航空、消費(fèi)電子、醫(yī)學(xué)電子、工業(yè)自動化等裝置和儀表中。
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；
·高速動態(tài)響應(yīng)；
·高效率；
·長壽命；
·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電機(jī)自身重量和大小比較敏感的場合。在這篇應(yīng)用筆記中將會對BLDC的結(jié)構(gòu)、基本原理、特性和應(yīng)用做一系列的探討。探討過程中可能用到的術(shù)語可以在附錄B“術(shù)語表”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)生的磁場和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場是同頻率的，所以BLDC并不會產(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)過疊壓和軸向沖壓而成，每個沖槽內(nèi)都有一定的線圈組成了繞組，可以參見下圖。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個呈星行排列的繞組，每個繞組又由許多內(nèi)部結(jié)合的鋼片按照一定的方式組成，偶數(shù)個繞組分布在定子的周圍組成了偶數(shù)個磁極。
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)生的反電動勢（反電動勢的相關(guān)介紹請參加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)生的反電動勢的波形圖如下圖。
另外還需要對反電動勢的一點(diǎn)說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)行起來相對梯形繞組來說就更平穩(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梯形繞組要多。
平時由于應(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刷電機(jī)。48V及其以下應(yīng)用電壓的電機(jī)可以用在汽車、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對永磁體按照N極和S極交替排列在轉(zhuǎn)子周圍構(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，無刷直流電機(jī)使用電子方式換向。要使BLDC轉(zhuǎn)起來，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。通常會安排3個霍爾傳感器在轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)路徑周圍。無論何時，只要轉(zhuǎn)子的磁極掠過霍爾元件時，根據(jù)轉(zhuǎn)子當(dāng)前磁極的極性霍爾元件會輸出對應(yīng)的高或低電平，這樣只要根據(jù)3個霍爾元件產(chǎn)生的電平的時序就可以判斷當(dāng)前轉(zhuǎn)子的位置，并相應(yīng)的對定子繞組進(jìn)行通電。
霍爾效應(yīng)：當(dāng)通電導(dǎo)體處于磁場中，由于磁場的作用力使得導(dǎo)體內(nèi)的電荷會向?qū)w的一側(cè)聚集，當(dāng)薄平板通電導(dǎo)體處于磁場中時這種效應(yīng)更為明顯，這樣一側(cè)聚集了電荷的導(dǎo)體會抵消磁場的這種影響，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位置沒有和轉(zhuǎn)子的磁場相切那么就可能導(dǎo)致霍爾元件的測量值不能準(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，這個磁體專門用來感應(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，霍爾元件一般按照圓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?；谶@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路，使用時需要接上拉電阻。
2.4 操作原理
每一次換向都會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)子永磁體的磁場和定子鋼片產(chǎn)生的磁場相互作用就產(chǎn)生了轉(zhuǎn)矩，理論上，當(dāng)這兩個磁場夾角為90°時會產(chǎn)生最大的轉(zhuǎn)矩，當(dāng)這兩個磁場重合時轉(zhuǎn)矩變?yōu)?，為了使轉(zhuǎn)子不停的轉(zhuǎn)動，那么就需要按順序改變定子的磁場，就像轉(zhuǎn)子的磁場一直在追趕定子的磁場一樣。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)的時候表現(xiàn)出來的就是額定轉(zhuǎn)矩。在無刷電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速之前，轉(zhuǎn)矩不變，無刷電機(jī)最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的150%，但是超速時電機(jī)的轉(zhuǎn)矩會相應(yīng)下降。
在實(shí)際的應(yīng)用中，我們常常會讓帶負(fù)載的電機(jī)啟動、停轉(zhuǎn)和逆向運(yùn)行，此時就需要比額定轉(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啟動電機(jī)，這個時候就需要更大的轉(zhuǎn)矩來抵消負(fù)載和轉(zhuǎn)子自身的慣性，這個時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. 換向時序
圖2.6.1顯示了霍爾元件的輸出、反電動勢和相電流的關(guān)系。圖2.6.2顯示了根據(jù)霍爾元件輸出的波形應(yīng)該繞組通電的時序。
圖2.6.1中的通電序號對應(yīng)的就是圖2.6.2中的序號，每隔60°夾角其中一個霍爾元件就會改變一次其輸出特性，那么一圈（通電周期）下來就會有6次變化，同時相電流也會每60°改變一次。但是，每完成一個通電周期并不會使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一周,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一周需要的通電周期數(shù)目和轉(zhuǎn)子上的磁極的對數(shù)相關(guān)，轉(zhuǎn)子有多少對磁極那么就需要多少個通電周期。
圖2.6.3是關(guān)于使用MCU控制無刷電機(jī)的原理圖，其中微控制器PIC18FXX31控制Q0-Q5組成的驅(qū)動電路按照一定的時序?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在A、B、C繞組上的通電時序。表2.6.1是轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動的時序，表2.6.2是轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動的時序。上面兩個表格顯示的是當(dāng)霍爾元件呈60°排列時的驅(qū)動波形，前面也提到霍爾元件還可以呈120°的夾角排列，那么這個時候就需要相應(yīng)的驅(qū)動波形，這些波形都可以在電機(jī)生產(chǎn)商的資料里找到，應(yīng)用時需要嚴(yán)格遵守通電時序。
圖2.6.1 BLDC運(yùn)行時序
圖2.6.3 無刷電機(jī)的驅(qū)動原理圖
如圖 2.6.3所示，假設(shè)驅(qū)動電壓和電機(jī)運(yùn)行時的電壓相等（包括驅(qū)動電路本身的損耗），當(dāng)PWMx按照給定的時序開和關(guān)時無刷電機(jī)將會以額定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。為了調(diào)速，我們使用遠(yuǎn)高于電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的PWM波驅(qū)動電機(jī)，通常我們需要至少10倍于電機(jī)最高頻率的PWM驅(qū)動波形。當(dāng)PWM驅(qū)動波形的占空比變化時，使得其在定子上的有效電壓變化，這就實(shí)現(xiàn)了無刷電機(jī)的調(diào)速，另外，當(dāng)驅(qū)動電源電壓高于電機(jī)本身的額定電壓時，我們可以調(diào)節(jié)PWM的占空比來使得驅(qū)動電源電壓適合電機(jī)的額定驅(qū)動電壓?？上攵?，我們可以使用同一個控制器去掛接不同額定電壓的電機(jī)，此時只需要用控制器改變一下PWM的占空比就行了。另外還有一種控制方式：當(dāng)微控制器的PWM輸出不夠用時，可以在整個通電時序內(nèi)將上臂一直導(dǎo)通（即上臂不使用PWM）而下臂使用PWM驅(qū)動。
圖 2.6.3中連接數(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
我們可以通過閉環(huán)測量當(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。
對于低成本，低轉(zhuǎn)速的應(yīng)用場合，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定時器去測量兩個霍爾元件輸出信號，然后根據(jù)這個信號得出實(shí)際的轉(zhuǎn)速。
在高轉(zhuǎn)速應(yīng)用場合，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°的信號進(jìn)行轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的測量。通常，光電編碼器還可以輸出PPR信號，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. 反電動勢（BACK EMF）
根據(jù)楞次定律，當(dāng)BLDC轉(zhuǎn)動時其繞組會產(chǎn)生與繞組兩端電壓相反方向的反向電壓，這就是反電動勢（BACK EMF）。記住，反電動勢和繞組所加電壓是反向的。決定反電動勢的主要因素有以下幾點(diǎn)：
· 轉(zhuǎn)子的角速度；
· 轉(zhuǎn)子永磁體的磁場強(qiáng)度；
· 每個定子繞組纏繞的線圈數(shù)量。
計(jì)算反電動勢的公式：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，唯一決定反電動勢的量就是轉(zhuǎn)子的角速度（也可以換算為線速度）且角速度和反電動勢成正比。廠家一般會提供電機(jī)的反電動勢常量，通過它我們可以用來估計(jì)某一轉(zhuǎn)速下反電動勢的大小。
繞組上的電壓等于供電電壓減去反電動勢，廠家在設(shè)計(jì)電機(jī)的時候會選取適當(dāng)?shù)姆措妱觿莩Ａ恳员汶姍C(jī)工作時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)超過額定轉(zhuǎn)速工作時，反電動勢會持續(xù)上升，這時加在電機(jī)繞組間的有效電壓會下降，電流會減少，扭矩會下降，當(dāng)反電動勢和供電電壓相等的時候，電流降為0，扭矩為0，電機(jī)達(dá)到極限轉(zhuǎn)速
5. 無傳感器BLDC控制
目前為止，我們所討論的都是基于霍爾元件獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的換向器控制方式，其實(shí)可以直接通過測量電機(jī)反電動勢而知道轉(zhuǎn)子的位置，在 圖 2.6.1中已經(jīng)可以比較清晰的看出反電動勢和霍爾元件輸出信號之間的關(guān)系。
通過前些章節(jié)的討論，我們可以看出在任何時候，電機(jī)的繞組都是有一相為正向通電、一相為反向通電和另外一相為不通電。當(dāng)某相反電動勢反向的時候霍爾傳感器的輸出也跟著變化。理想狀態(tài)下，霍爾元件的輸出會在相反電動勢過零的時候發(fā)生改變，實(shí)際應(yīng)用時會有一段小的延遲，這種延遲可以通過微控制器補(bǔ)償。
圖 3.1.1為利用反電動勢過零檢測的方式來控制BLDC。
圖3.1.1 過零檢測電機(jī)控制
還有一方面需要考慮：當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速比較低的時候，反電動勢會比較小，以致過零檢測電路無法正常檢測，這個時候在電機(jī)啟動階段就需要使用開環(huán)控制，當(dāng)電機(jī)啟動到產(chǎn)生可以過零檢測的反電動勢轉(zhuǎn)速時，系統(tǒng)就需要切換到過零檢測控制模式，進(jìn)行閉環(huán)控制。最低的過零檢測轉(zhuǎn)速可以根據(jù)電機(jī)的反電動勢常量計(jì)算出來。根據(jù)這個原理，可以去除霍爾元件以及因其安裝的輔助磁體，這樣就可以簡化制造節(jié)約成本。另外，除去了霍爾元件的電機(jī)可以安裝在一些粉塵和油污比較大的地方而無須為保證霍爾的正常工作而定時進(jìn)行清理，與此同時，這種免維護(hù)電機(jī)還可以安裝在人很難觸及的地方。
6. 選擇合適的BLDC
為實(shí)際應(yīng)用選擇合適的電機(jī)是至關(guān)重要的。根據(jù)電機(jī)的負(fù)載特性，需要確定合適的電機(jī)參數(shù)。其主要參數(shù)有以下幾點(diǎn)：
·應(yīng)用是的最大扭矩要求；
·平方根(RMS)扭矩需求；
·轉(zhuǎn)速要求。
6.1 最大扭矩
最大的扭矩可以通過將負(fù)載扭矩、轉(zhuǎn)動慣量和摩擦力相加得到。另外，還有一些額外的因素影響最大需求扭矩如：氣隙空氣的阻力等，這就需要至少20%的扭矩余量，綜上所述，有以下等式：
TP = (TL + TJ + TF) * 1.2
TJ為電機(jī)啟動或加速過程需要克服的轉(zhuǎn)動力矩，其主要包括電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動力矩和負(fù)載的轉(zhuǎn)動力矩，其表示為：
TJ = JL + M * α
上式中α為加速度，JL+M為定子和負(fù)載的轉(zhuǎn)動力矩。電機(jī)的機(jī)械軸決定電機(jī)的負(fù)載力矩和摩擦力。
6.2 平方根扭矩
可以近似的認(rèn)為平方根扭矩為實(shí)際應(yīng)用中需要的持續(xù)輸出扭矩。它由很多因素決定：最大扭矩、負(fù)載扭矩、轉(zhuǎn)動慣量、加速、減速以及運(yùn)行時間。下面的等式表示了平方根扭矩的計(jì)算，其中TA為加速時間、TD為減速時間和TR為運(yùn)行時間。
TRMS = √ [{TP2 TA + (TL + TF)2TR + (TJ – TL – TF)2 TD}/(TA + TR + TD)]
6.3 轉(zhuǎn)速
這是有應(yīng)用需求的轉(zhuǎn)速。比如，吹風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速需求是，最高轉(zhuǎn)速和平均轉(zhuǎn)速相差不大，顯然在一些點(diǎn)對點(diǎn)定位系統(tǒng)如傳送帶和機(jī)械臂系統(tǒng)中就需要大轉(zhuǎn)速范圍的電機(jī)，可以根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速梯形曲線（）確定電機(jī)的轉(zhuǎn)速需求。通常，由于其他因素，在計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速需求的時候需要留有10%余量。
圖6.3.1 轉(zhuǎn)速梯形曲線
7. BLDC典型應(yīng)用
BLDC的應(yīng)用十分廣泛，如汽車、工具、工業(yè)工控、自動化以及航空航天等等。總的來說，BLDC可以分為以下三種主要用途：
·持續(xù)負(fù)載應(yīng)用
·可變負(fù)載應(yīng)用
·定位應(yīng)用
7.1 持續(xù)負(fù)載應(yīng)用
這種應(yīng)用主要用于那些需要一定轉(zhuǎn)速但是對轉(zhuǎn)速精度要求不高的領(lǐng)域，比如風(fēng)扇、抽水機(jī)、吹風(fēng)氣等一類的應(yīng)用。通常這類應(yīng)用成本比較低且多是開環(huán)控制。
7.2 可變負(fù)載應(yīng)用
這類主要指的是電機(jī)轉(zhuǎn)速需要在某個范圍內(nèi)變化的應(yīng)用，在這類應(yīng)用中主要對電機(jī)的高轉(zhuǎn)速特性和動態(tài)響應(yīng)特性有更高的要求。家用器具中的洗衣機(jī)、甩干機(jī)和壓縮機(jī)就是很好的例子。在汽車工業(yè)領(lǐng)域，油泵控制、電控制器、發(fā)動機(jī)控制和電子工具等也是很好的例子。在航空領(lǐng)域也有很多的應(yīng)用，比如離心機(jī)、泵、機(jī)械臂、陀螺儀等等。這個領(lǐng)域中多使用電機(jī)反饋器件組成半開環(huán)和閉環(huán)進(jìn)行控制。這就需要復(fù)雜的控制算法，增加了控制器的復(fù)雜程度也增加了系統(tǒng)成本。
7.3 定位應(yīng)用
大多數(shù)的工業(yè)控制和自動控制方面的應(yīng)用屬于這個類別。在這些應(yīng)用中往往會完成能量的輸送，如齒輪或者傳送帶，因此系統(tǒng)對電機(jī)的轉(zhuǎn)速的動態(tài)響應(yīng)和轉(zhuǎn)矩有特別的要求，同時這些應(yīng)用也可能需要隨時的改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向，電機(jī)可能工作在勻速，加速，減少階段，而且有可能在這些階段中負(fù)載也在變化，所以這對控制器提出了更高的要求，通常這種控制使用閉環(huán)控制，甚至?xí)信ぞ丨h(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)三個控制環(huán)。測速時可能會用上光電編碼器和一些同步設(shè)備。有時候這些傳感器會被用于測量相對位置，也有時候用于測量絕對位置。過程控制、機(jī)械控制和運(yùn)輸控制很多都屬于這類應(yīng)用。
8. 總結(jié)
總的來說，無刷電機(jī)相對傳統(tǒng)的有刷電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)而言，它擁有高的轉(zhuǎn)速/扭矩比、好動態(tài)特性、高效率、長壽命、低噪聲、寬轉(zhuǎn)速范圍和制造容易等等優(yōu)良特性。特別是去單位體積的功率輸出特性使得其可以用于對尺寸和重量敏感的場合。這些優(yōu)良的特性使得BLDC在工業(yè)控制領(lǐng)域、汽車工業(yè)、航空航天等等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用！
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