01.概述

從簡單的鉆機到復(fù)雜的工業(yè)機器人，許多機器設(shè)備都使用無刷直流電機將電能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動。無刷直流電機也稱為BLDC電機，相比有刷直流電機具備諸多優(yōu)勢。BLDC電機更高效，所需的維護更少，因而已在許多應(yīng)用中取代了有刷電機。

圖一：電磁場和永磁體磁場示意圖

兩類電機的運行原理相似，均由永磁體和電磁體的磁極吸引和排斥產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動。但這些電機的控制方式卻大不相同。BLDC需要復(fù)雜的控制器才能將單個直流電源轉(zhuǎn)換為三相電壓，而有刷電機可以通過調(diào)節(jié)直流電壓來控制。

圖二：有刷電機和直流無刷電機對比

02.直流電機的類型

1、傳統(tǒng)有刷直流電機

如下圖所示，在有刷直流電機中，直流電流通過轉(zhuǎn)子的線圈繞組，使電磁體產(chǎn)生極性。這些轉(zhuǎn)子的磁極與固定永磁體（稱為定子）的磁極相互作用，從而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

? 轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動半圈之后，需要切換線圈繞組中的電流極性，以對調(diào)轉(zhuǎn)子磁極， 使電機保持旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。

? 這種電流極性的切換被稱為換相。

? 換相通過機械方式實現(xiàn)：轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的每個半圈中，電觸頭（稱為電刷）與轉(zhuǎn)子上的換相器連成一個回路。

? 這種物理接觸會導(dǎo)致電刷隨著時間推移而磨損，從而導(dǎo)致電機無法工作。

圖三：有刷電機工作原理示意圖

2、無刷直流電機

BLDC電機采用電子換相來代替機械換相，克服了有刷電機的上述缺陷。為了更好地理解這一點，有必要進一步了解BLDC電機結(jié)構(gòu)。BLDC 電機與有刷電機構(gòu)造相反，其永磁體安裝在轉(zhuǎn)子中，而線圈繞組則成為定子。

圖四：無刷直流電機工作原理示意圖

電機的磁體布局不盡相同，定子可能具有不同數(shù)量的繞組，而轉(zhuǎn)子可能具有多個極對，如下圖所示。

圖五：無刷直流電機極對數(shù)示意圖

3、仿真 BLDC 電機以觀察反電動勢曲線

BLDC 電機和 PMSM的結(jié)構(gòu)類似，其永磁體均置于轉(zhuǎn)子，并被定義為同步電機。在同步電機中，轉(zhuǎn)子與定子磁場同步，即轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度與定子磁場相同。

它們的主要區(qū)別在于其反電動勢（反 EMF）的形狀。電機在旋轉(zhuǎn)時充當(dāng)發(fā)電機。也就是說，定子中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，與電機的驅(qū)動電壓反向。反電動勢是電機的重要特征，因為其形狀決定了對電機進行最優(yōu)控制所需的算法。

BLDC電機的設(shè)計使其反電動勢呈梯形，因此一般采用梯形換相控制。BLDC 梯形反電動勢 采用梯形換相控制。

圖六：無刷直流電機反電動勢波形示意圖

PMSM 的反電動勢呈正弦波形，因此采用磁場定向控制。PMSM 正弦反電動勢采用磁場定向控制

圖七：PMSM反電動勢波形示意圖

在電機控制領(lǐng)域，PMSM 和 BLDC 這兩個術(shù)語有時會被混用，這可能導(dǎo)致對其反電動勢曲線的混淆。本文將 BLDC 電機嚴(yán)格限定為具有梯形反電動勢的電機。

圖八：BLDC電機仿真查看反電動勢波形

圖中使用Simulink仿真的是帶開路端子的單極對BLDC，即線圈中沒有電流通過。如果施加扭矩帶動轉(zhuǎn)子，電機將充當(dāng)發(fā)電機。您可以測量 A 相電壓隨時間變化的情況，從而觀察電機的反電動勢形狀。電壓波形顯示 BLDC電機的反電動勢呈梯形，其中部分區(qū)域電壓持平。

4、六步換相

為了更好地理解施加外部電壓時 BLDC 電機的行為，我們將使用前面介紹的配置，其中轉(zhuǎn)子由單極對組成，而定子由夾角為 120 度的三個線圈組成。讓電流通過線圈，給線圈（此處稱為 A 相、B 相和 C 相）通電。轉(zhuǎn)子的北極用紅色表示，南極用藍色表示。

一開始，線圈沒有通電，轉(zhuǎn)子處于靜止?fàn)顟B(tài)。在A相與C相之間施加電壓（如下圖所示），即會沿虛線產(chǎn)生復(fù)合磁場。這使轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)，從而與定子磁場對齊。

圖九：定子磁場產(chǎn)生示意圖（虛線）

線圈對共有六種通電方法，如下圖所示。每次換相后，定子磁場相應(yīng)旋轉(zhuǎn)，從而帶動轉(zhuǎn)子，使之旋轉(zhuǎn)至圖示位置。在下圖中，轉(zhuǎn)子角度是相對于水平軸而言的，轉(zhuǎn)子共有六種對齊方式，兩兩相差 60 度。

圖十：線圈通電示意圖

也就是說，如果每 60 度以正確的相位執(zhí)行一次換相，電機將連續(xù)旋轉(zhuǎn)，如下圖所示。此類控制被稱為六步換相或梯形控制。

圖十一：六步換相（梯形控制）

此類電機可以包含更多極對，但這就要求更為頻繁地?fù)Q相。為了在合適的時機以正確的相位執(zhí)行電機換相，控制器需要時刻掌握轉(zhuǎn)子的確切位置，對此通常使用霍爾傳感器進行測量。

圖十二：不同極對數(shù)的電機換相角度示意圖

5、電機和扭矩產(chǎn)生

下圖中箭頭表示相對磁力，箭頭粗細表示場強。相同磁極相互排斥，從而使轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)。同時，相反磁極相互吸引，從而在同一方向增加扭矩。

轉(zhuǎn)子完成60度旋轉(zhuǎn)后，發(fā)生下一次換相。

圖十三：磁場作用示意圖

將先前討論的定子磁場疊加到上圖中，可以很明顯地看出，在這種換相方式中，轉(zhuǎn)子從不對齊定子磁場（圖中的黃色虛線），而是一直在追趕定子磁場。

圖十四：定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場示意圖

在BLDC電機中采用這種方式換相有兩個原因。首先，如果允許轉(zhuǎn)子和定子磁場完全對齊，此時產(chǎn)生的扭矩為零，這不利于旋轉(zhuǎn)。其次，磁場夾角為90度時可產(chǎn)生最大扭矩。因此，目標(biāo)是使該夾角接近90度。

圖十五：轉(zhuǎn)子磁場和定子磁場夾角示意圖

但在BLDC電機中，采用六步換相無法讓夾角始終保持90度，夾角將在60度和120度之間波動，如下圖所示。這是因為梯形控制的性質(zhì)相對簡單。磁場定向控制等更先進的方法可實現(xiàn)定子與轉(zhuǎn)子磁場間90度夾角，以此產(chǎn)生更大的扭矩，該方法常用于之前提到的 PMSM 控制。

圖十六：轉(zhuǎn)子磁場和定子磁場夾角示意圖

6、三相逆變器的工作原理

為了在六步換相過程中控制相位，可使用三相逆變器將直流電引導(dǎo)到三個相，從而在正（紅）負(fù)（藍）電流之間切換。為了向其中一個相供應(yīng)正電流，需要打開連接到該相的高端開關(guān)，要供應(yīng)負(fù)電流，則需要打開低端開關(guān)。

圖十七：三相逆變橋示意圖

當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子磁場夾角在60至120度之間時，按上述模式執(zhí)行此操作，三相逆變器可使電機保持勻速旋轉(zhuǎn)。要改變電機速度，可以調(diào)節(jié)施加的電壓。要在不改變電源電壓的前提下控制電機速度，則可以采用脈寬調(diào)制 (PWM)。

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