無處不在的無刷電機(jī)，你了解多少？

前面幾期芝識(shí)課堂里，我們圍繞東芝TX03系列MCU的基本情況和內(nèi)核以及外圍電路等細(xì)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，接下來請(qǐng)隨我們一起來學(xué)習(xí)電機(jī)控制的相關(guān)知識(shí)吧！在電機(jī)控制領(lǐng)域里，無刷電機(jī)是目前應(yīng)用最為廣泛的電機(jī)類型之一?，F(xiàn)在，就請(qǐng)大家跟我們一起認(rèn)識(shí)在生活中無處不在的無刷電機(jī)！

電機(jī)的歷史始于19世紀(jì)初電磁現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，并逐漸成為工業(yè)化時(shí)代最重要的電子系統(tǒng)之一。隨著技術(shù)發(fā)展，工程技術(shù)人員們發(fā)明了許多類型的電機(jī)，包括直流（DC）電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)和同步電機(jī)。

作為永磁同步電機(jī)（PMSM）的一種，無刷電機(jī)歷史悠久。但在最初時(shí)期，由于其啟動(dòng)和變速困難，除具有昂貴控制機(jī)構(gòu)的工業(yè)應(yīng)用外，一直未被廣泛應(yīng)用。然而近年來，隨著強(qiáng)大的永磁體的改進(jìn)以及人們節(jié)能意識(shí)的增強(qiáng)，無刷電機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域都得到了飛速的發(fā)展。

直流有刷電機(jī)與無刷電機(jī)的區(qū)別

直流有刷電機(jī)（通常簡(jiǎn)稱直流電機(jī)）具有可控性好、效率高、易小型化等特點(diǎn)，是最常用的電機(jī)類型。相比于直流有刷電機(jī)，無刷電機(jī)不需要電刷和換向器，因而其使用壽命長(zhǎng)、易于維護(hù)、運(yùn)行噪音低。此外，它不僅具有直流電機(jī)的高可控性，還擁有較高的結(jié)構(gòu)自由度，易于嵌入設(shè)備中。得益于這些優(yōu)勢(shì)，無刷電機(jī)的應(yīng)用逐漸擴(kuò)展，目前其在工業(yè)設(shè)備、辦公自動(dòng)化設(shè)備和家用電器上都得到了廣泛的應(yīng)用。

圖1 直流有刷電機(jī)和無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)區(qū)別

直流無刷電機(jī)和永磁同步電機(jī)（PMSM）的結(jié)構(gòu)基本相同。然而，直流無刷電動(dòng)機(jī)既是一個(gè)電機(jī)家族（包括PMSM和步進(jìn)電機(jī)），又是一個(gè)獨(dú)立的電機(jī)類型。如下圖所示，其可根據(jù)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方式進(jìn)行多種分類。

圖2 直流無刷電機(jī)的分類

無刷電機(jī)的工作情況

無刷電機(jī)在工作時(shí)，首先將永磁體用作轉(zhuǎn)子（旋轉(zhuǎn)側(cè)），線圈用作定子（固定側(cè)）。然后外部逆變電路根據(jù)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)控制電流到線圈的切換，無刷電機(jī)與檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的逆變電路配合使用，并根據(jù)轉(zhuǎn)子位置將電流引入線圈。

轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法主要有三種：一是電流檢測(cè)，電流檢測(cè)是磁場(chǎng)定向控制的必要條件；二是霍爾傳感器檢測(cè)，利用三個(gè)霍爾傳感器，通過轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置；三是感應(yīng)電壓檢測(cè)，通過轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓變化來檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，這是無感電機(jī)的位置檢測(cè)方法之一。

圖3 直流無刷電機(jī)的工作流程

無刷電機(jī)有兩種基本控制方法。此外，還有一些控制方法需要復(fù)雜的計(jì)算，如矢量控制和弱場(chǎng)控制。

方波驅(qū)動(dòng)

根據(jù)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度，切換逆變電路功率元件的開關(guān)狀態(tài)，然后改變定子線圈的電流方向，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

正弦波驅(qū)動(dòng)

通過檢測(cè)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度來旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子，在逆變電路中產(chǎn)生相移為120度的3相交流電，然后改變定子線圈的電流方向和大小。

圖4 無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)

直流無刷電機(jī)目前廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，包括家用電器、汽車電子、工業(yè)設(shè)備、辦公自動(dòng)化以及機(jī)器人和便攜消費(fèi)電子等，未來隨著電機(jī)技術(shù)不斷進(jìn)步，直流無刷電機(jī)的應(yīng)用還將具有更廣闊的發(fā)展空間。

審核編輯：劉清