一文詳解無刷與有刷電機的區(qū)別

有刷直流電機

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

結(jié)構(gòu)

有刷直流電機發(fā)明于 19 世紀，現(xiàn)在應(yīng)用仍然很普遍，相比較于無刷直流電機，它的結(jié)構(gòu)會更加復(fù)雜，通常電機內(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;

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

而另一個就是線圈繞組，經(jīng)過交變電流之后，會產(chǎn)生變化的磁場，從而推動電機的轉(zhuǎn)子進行旋轉(zhuǎn)。

下面是我小時候玩的四驅(qū)車里拆下來的電機;

玩具四驅(qū)車的電機

內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

原理

小時候拆過的小伙伴請舉手，好，言歸正傳，下面是一個簡單的兩極有刷直流電機的模型，我們來簡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，正是通過這個換向器，圖1 中金黃色的器件，

假設(shè)我們給線圈通電，這時候會在電樞周圍產(chǎn)生磁場。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，即電樞產(chǎn)生的磁場與永磁體產(chǎn)生的磁場垂直，換向器反轉(zhuǎn)改變了通過線圈的電流方向，使磁場反轉(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

其實最簡單的運行原理看下圖就很清晰了，如果我們換一個更大的電池(電壓更高)，這個線圈可能會轉(zhuǎn)的更快;

線圈旋轉(zhuǎn)

所以有刷直流電機可以很簡單地轉(zhuǎn)動起來，因為電機內(nèi)部已經(jīng)幫你做好了換向的工作，所以通?？梢赃M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，實現(xiàn)弱電控制強電，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)動電路了，可以簡單的控制電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，還能通過控制PWM的占空比進行調(diào)速，整體電路如下所示;

H橋電路

有刷直流電機雖然換相簡單，控制簡單，但是結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，并且在換相的時候，容易產(chǎn)生火花。

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

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

無刷直流電機

直流無刷電機從結(jié)構(gòu)上，比直流有刷電機少了電刷和換向器，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)動信號進行換向。

這里我們還是從內(nèi)部結(jié)構(gòu)作為切入點，對其驅(qū)動時序進行分析，結(jié)果就會變得清晰起來。

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，它通常有三條線，U，V，W，當(dāng)然航模上還需要配置一個電調(diào)(ESC)——作為電機的驅(qū)動器。

這里的電調(diào)往往有兩種驅(qū)動方式，六步方波，或者FOC驅(qū)動，下面主要對六步方波驅(qū)動方式進行分析。

無刷直流電機

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;兩對極電機，分別是U1，V1，W1，U2，V2，W2，后面我們會進一步進行介紹。具體如下圖示;

2對極BLDC內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖中的電機的定子是電樞繞組在通過交變電流的時候，會產(chǎn)生磁場，電樞的材料是鐵芯，可以導(dǎo)磁，這樣可以增大磁場的強度，磁場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

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

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

如果我們一個接一個地激活每個線圈，這樣可以產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)的磁場，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)的磁場作用下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。

具體如下圖所示;

旋轉(zhuǎn)磁場

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

共同通電

初步了解了內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和通電機制之后，我們就需要產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動信號去產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。如下圖所示，這是一個簡單的驅(qū)動的架構(gòu);

通常我們會在MCU中會固化一段代碼，這段代碼可以產(chǎn)生驅(qū)動信號;然后驅(qū)動信號通過IPM間接驅(qū)動六個功率開關(guān)元器件(這里可以是MOSFET)，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場。

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

這個驅(qū)動信號又符合什么樣的規(guī)律呢?下面我們進一步介紹驅(qū)動信號。

硬件架構(gòu)圖

這里其實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，中性點和 B 相，最終流向地。

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

兩兩通電的情況

其實電機內(nèi)部一般可以等效成一個星型的連接方式，A，B，C三相的中性點連接在一起，外部通過MOSFET或者IGBT組成功率開關(guān)元器件，進行控制，所以這里也可以說明無刷直流電機，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，此時的狀態(tài)可以標注為a+，b-，c0，下面我們會進一步進行解釋;

兩兩通電外部結(jié)構(gòu)圖

首先規(guī)定一下我們的驅(qū)動電路的相應(yīng)符號：

使用SW1和SW2作為一個上下管驅(qū)動U，或者是a;

使用SW3和SW4作為一個上下管驅(qū)動V，或者是b;

使用SW5和SW6作為一個上下管驅(qū)動W，或者是c;

然后我們在這里規(guī)定：上管打開標記為+，下管打開標記為-，上下管都不開標記為0。

最終讓轉(zhuǎn)子朝一個方向旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動時序應(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)動的六步方波時序正確之后，我們基本可以實現(xiàn)對無刷直流電機的開環(huán)控制驅(qū)動了;

具體的驅(qū)動時序可以簡單畫一下，對于每一相而言都需要六步的驅(qū)動時序，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)動信號時序

下面是我實際過程中測試的上管的方波驅(qū)動信號，可以和A相，B相，C相的信號對應(yīng)起來。

實測波形

閉環(huán)控制

實現(xiàn)開環(huán)運行之后，就要進行閉環(huán)控制了，首先有一點需要說明的是，前面的六步PWM時序，并沒有根據(jù)轉(zhuǎn)子的實際位置進行磁場的切換，所以可能出現(xiàn)的情況，就是失步，這個有點類似步進電機。

結(jié)論就是實際磁場旋轉(zhuǎn)的速度可能遠快于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速度，導(dǎo)致磁場的旋轉(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問題，所以通常會加入霍爾傳感器來檢測實際的轉(zhuǎn)子位置。

無刷直流電機內(nèi)的霍爾傳感器

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

霍爾信號

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

無刷直流電機的反電動勢是梯形反電動勢，具體如下圖所示;

反電動勢

無感方波的驅(qū)動方式難點在于啟動和過零點的檢測上，通常啟動可以使用三段式啟動的方式，即轉(zhuǎn)子預(yù)定位，開環(huán)強拖，開環(huán)切閉環(huán)，這三個過程。

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

結(jié)論

本文簡單介紹了有刷直流電機和無刷直流電機的結(jié)構(gòu)和原理，以及各自的優(yōu)勢。進一步介紹了無刷直流電機的六步方波驅(qū)動原理，簡單提及了閉環(huán)控制中一些注意點。作者水平有限，文中難免存在不足和錯誤之處，請各位大佬不吝賜教。

好的，這期就先到這里，我們下期再見。

審核編輯：湯梓紅