有刷直流電機(jī)

BLDC(brushless DC electric motor)全稱是無刷直流電機(jī)。在介紹BLDC之前，這里就不得不說一下有刷直流電機(jī)，然后帶著問題再看什么是直流無刷電機(jī)。

結(jié)構(gòu)

有刷直流電機(jī)發(fā)明于 19 世紀(jì)，現(xiàn)在應(yīng)用仍然很普遍，相比較于無刷直流電機(jī)，它的結(jié)構(gòu)會(huì)更加復(fù)雜，通常電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的組件都包括轉(zhuǎn)子和定子;

轉(zhuǎn)子就是旋轉(zhuǎn)的;

定子就是固定的;

然后其中一個(gè)可能是永磁體，就是那種加入稀土等材料然后可以保持長(zhǎng)期磁性的物質(zhì);

而另一個(gè)就是線圈繞組，經(jīng)過交變電流之后，會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，從而推動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

下面是我小時(shí)候玩的四驅(qū)車?yán)锊鹣聛淼碾姍C(jī);

玩具四驅(qū)車的電機(jī)

內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

原理

小時(shí)候拆過的小伙伴請(qǐng)舉手，好，言歸正傳，下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的兩極有刷直流電機(jī)的模型，我們來簡(jiǎn)單分析一下它的旋轉(zhuǎn)原理;

狀態(tài)一

首先這里的轉(zhuǎn)子是勵(lì)磁繞組，正如前面提到的，就是線圈繞組，但是它如何通過交變電流呢，正是通過這個(gè)換向器，圖1 中金黃色的器件，

假設(shè)我們給線圈通電，這時(shí)候會(huì)在電樞周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)。由于同極相斥，電樞的左側(cè)被推離左側(cè)，電樞的右側(cè)被拉向右側(cè)，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

這里電樞是轉(zhuǎn)子，而永磁體是定子，其中用藍(lán)色表示N極，紅色表示S極;

狀態(tài)二

電樞繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電樞與水平垂直時(shí)，即電樞產(chǎn)生的磁場(chǎng)與永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)垂直，換向器反轉(zhuǎn)改變了通過線圈的電流方向，使磁場(chǎng)反轉(zhuǎn)。因此轉(zhuǎn)子可以繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。

狀態(tài)三

重復(fù)以上過程，轉(zhuǎn)子就開始旋轉(zhuǎn)了，如下圖所示;

旋轉(zhuǎn)過程

其實(shí)最簡(jiǎn)單的運(yùn)行原理看下圖就很清晰了，如果我們換一個(gè)更大的電池(電壓更高)，這個(gè)線圈可能會(huì)轉(zhuǎn)的更快;

線圈旋轉(zhuǎn)

所以有刷直流電機(jī)可以很簡(jiǎn)單地轉(zhuǎn)動(dòng)起來，因?yàn)殡姍C(jī)內(nèi)部已經(jīng)幫你做好了換向的工作，所以通?？梢赃M(jìn)行升壓和降壓調(diào)速，通常這里的做法是PWM，加上功率元器件，實(shí)現(xiàn)弱電控制強(qiáng)電，這有一部分屬于電力電子的范疇了。

最常經(jīng)常使用的就是H橋驅(qū)動(dòng)電路了，可以簡(jiǎn)單的控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，還能通過控制PWM的占空比進(jìn)行調(diào)速，整體電路如下所示;

H橋電路

有刷直流電機(jī)雖然換相簡(jiǎn)單，控制簡(jiǎn)單，但是結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，并且在換相的時(shí)候，容易產(chǎn)生火花。

大家想象一下，把插頭插入插座的時(shí)候，是不是會(huì)產(chǎn)生火花?是的，就是這種換相開關(guān)瞬間產(chǎn)生的火花，可能會(huì)損壞電刷，所以它的維護(hù)成本就直線上升了。

好了，差不多搞清楚直流有刷電機(jī)之后，可以看看直流無刷電機(jī)到底和它有什么相同和不同的地方呢?

無刷直流電機(jī)

直流無刷電機(jī)從結(jié)構(gòu)上，比直流有刷電機(jī)少了電刷和換向器，所以內(nèi)部結(jié)構(gòu)無法自己完成換相的操作，因此就需要外部驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行換向。

這里我們還是從內(nèi)部結(jié)構(gòu)作為切入點(diǎn)，對(duì)其驅(qū)動(dòng)時(shí)序進(jìn)行分析，結(jié)果就會(huì)變得清晰起來。

結(jié)構(gòu)

如下圖所示，在四軸飛行器或者一些航模上，都能看到這種類型的直流無刷電機(jī)，它通常有三條線，U，V，W，當(dāng)然航模上還需要配置一個(gè)電調(diào)(ESC)——作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器。

這里的電調(diào)往往有兩種驅(qū)動(dòng)方式，六步方波，或者FOC驅(qū)動(dòng)，下面主要對(duì)六步方波驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行分析。

無刷直流電機(jī)

我們先看一下直流無刷的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通常是這樣的，這里由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，是電樞繞組，轉(zhuǎn)子是永磁體;兩對(duì)極電機(jī)，分別是U1，V1，W1，U2，V2，W2，后面我們會(huì)進(jìn)一步進(jìn)行介紹。具體如下圖示;

2對(duì)極BLDC內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖中的電機(jī)的定子是電樞繞組在通過交變電流的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，電樞的材料是鐵芯，可以導(dǎo)磁，這樣可以增大磁場(chǎng)的強(qiáng)度，磁場(chǎng)的方向取決于電流的方向，具體可以根據(jù)右手螺旋定則來判斷，如下圖所示;

右手螺旋定則

換相原理

這里我們簡(jiǎn)單介紹一下轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的過程，即無刷直流電機(jī)的換相原理：

首先我們對(duì)電樞繞組施加適當(dāng)大小的電流，線圈將產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)將吸引轉(zhuǎn)子的永磁體;

如果我們一個(gè)接一個(gè)地激活每個(gè)線圈，這樣可以產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，由于永磁體和電磁體之間的力相互作用，轉(zhuǎn)子將在旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)作用下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。

具體如下圖所示;

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

但是上面提到，這里是兩對(duì)極的直流無刷電機(jī)，那么為了提高電機(jī)的效率，我們可以將兩個(gè)相反的線圈組成一個(gè)繞組，這樣會(huì)產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子極相反的磁極，從而獲得雙倍的磁場(chǎng)的力。

共同通電

初步了解了內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和通電機(jī)制之后，我們就需要產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)去產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。如下圖所示，這是一個(gè)簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)的架構(gòu);

通常我們會(huì)在MCU中會(huì)固化一段代碼，這段代碼可以產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào);然后驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過IPM間接驅(qū)動(dòng)六個(gè)功率開關(guān)元器件(這里可以是MOSFET)，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。

電機(jī)模型可以等效成三個(gè)星型連接的電感，所以我們需要做的工作就是如何去產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

這個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)又符合什么樣的規(guī)律呢?下面我們進(jìn)一步介紹驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

硬件架構(gòu)圖

這里其實(shí)是一種兩兩通電的方式。如果我們將 A 相上拉至高電平，然后在另一側(cè)將 B 相接地，則電流將從 VCC 流過A 相，中性點(diǎn)和 B 相，最終流向地。

因此，只需一個(gè)電流，我們就可以產(chǎn)生了四個(gè)不同的磁極，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子移動(dòng)，內(nèi)部的電流走向如下圖所示;

兩兩通電的情況

其實(shí)電機(jī)內(nèi)部一般可以等效成一個(gè)星型的連接方式，A，B，C三相的中性點(diǎn)連接在一起，外部通過MOSFET或者IGBT組成功率開關(guān)元器件，進(jìn)行控制，所以這里也可以說明無刷直流電機(jī)，通常有U，V，W三條線引出來。

兩兩通電的其中一種狀態(tài)如下圖所示，此時(shí)的狀態(tài)可以標(biāo)注為a+，b-，c0，下面我們會(huì)進(jìn)一步進(jìn)行解釋;

兩兩通電外部結(jié)構(gòu)圖

首先規(guī)定一下我們的驅(qū)動(dòng)電路的相應(yīng)符號(hào)：

使用SW1和SW2作為一個(gè)上下管驅(qū)動(dòng)U，或者是a;

使用SW3和SW4作為一個(gè)上下管驅(qū)動(dòng)V，或者是b;

使用SW5和SW6作為一個(gè)上下管驅(qū)動(dòng)W，或者是c;

然后我們?cè)谶@里規(guī)定：上管打開標(biāo)記為+，下管打開標(biāo)記為-，上下管都不開標(biāo)記為0。

最終讓轉(zhuǎn)子朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)時(shí)序應(yīng)該是這樣的：

a+，b-，c0

a+，b0，c-

a0，b+，c-

a-，b+，c0

a-，b0，c+

a0，b-，c+

具體如下圖示：

六步方波

驅(qū)動(dòng)的六步方波時(shí)序正確之后，我們基本可以實(shí)現(xiàn)對(duì)無刷直流電機(jī)的開環(huán)控制驅(qū)動(dòng)了;

具體的驅(qū)動(dòng)時(shí)序可以簡(jiǎn)單畫一下，對(duì)于每一相而言都需要六步的驅(qū)動(dòng)時(shí)序，然后兩相之間的相位相差120°。

例如A相的六步相序需要比B相超前120°，B相需要比C相超前120°，

整體應(yīng)該如下圖所示;

驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)序

下面是我實(shí)際過程中測(cè)試的上管的方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)，可以和A相，B相，C相的信號(hào)對(duì)應(yīng)起來。

實(shí)測(cè)波形

閉環(huán)控制

實(shí)現(xiàn)開環(huán)運(yùn)行之后，就要進(jìn)行閉環(huán)控制了，首先有一點(diǎn)需要說明的是，前面的六步PWM時(shí)序，并沒有根據(jù)轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置進(jìn)行磁場(chǎng)的切換，所以可能出現(xiàn)的情況，就是失步，這個(gè)有點(diǎn)類似步進(jìn)電機(jī)。

結(jié)論就是實(shí)際磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的速度可能遠(yuǎn)快于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速度，導(dǎo)致磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)子不同步，所以就造成了失步。

如果這里引入轉(zhuǎn)子的位置反饋量，就可以完美的解決這個(gè)問題，所以通常會(huì)加入霍爾傳感器來檢測(cè)實(shí)際的轉(zhuǎn)子位置。

無刷直流電機(jī)內(nèi)的霍爾傳感器

轉(zhuǎn)子處于不同位置的時(shí)候霍爾傳感器會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)，并且還可以根據(jù)霍爾信號(hào)計(jì)算轉(zhuǎn)速，作為后面速度閉環(huán)的反饋值，霍爾信號(hào)具體如下圖所示;

霍爾信號(hào)

一般來說增加了霍爾傳感器，在成本和電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度上都會(huì)大大增加，所以，這里可以通過檢測(cè)每一相的反電動(dòng)勢(shì)(Back EMF)，來進(jìn)行位置的估算以及速度的計(jì)算。

無刷直流電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)是梯形反電動(dòng)勢(shì)，具體如下圖所示;

反電動(dòng)勢(shì)

無感方波的驅(qū)動(dòng)方式難點(diǎn)在于啟動(dòng)和過零點(diǎn)的檢測(cè)上，通常啟動(dòng)可以使用三段式啟動(dòng)的方式，即轉(zhuǎn)子預(yù)定位，開環(huán)強(qiáng)拖，開環(huán)切閉環(huán)，這三個(gè)過程。

另外還可以進(jìn)行高頻注入的方式確定轉(zhuǎn)子的初始位置，然后直接進(jìn)行啟動(dòng)，在過零點(diǎn)的檢測(cè)和換相存在一定的難度。

結(jié)論

本文簡(jiǎn)單介紹了有刷直流電機(jī)和無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理，以及各自的優(yōu)勢(shì)。進(jìn)一步介紹了無刷直流電機(jī)的六步方波驅(qū)動(dòng)原理，簡(jiǎn)單提及了閉環(huán)控制中一些注意點(diǎn)。作者水平有限，文中難免存在不足和錯(cuò)誤之處，請(qǐng)各位大佬不吝賜教。

好的，這期就先到這里，我們下期再見。

審核編輯：湯梓紅