淺談無刷電機(jī)的工作流程

上一期的芝識(shí)課堂，我們跟大家一起分析了無刷電機(jī)的四個(gè)功能單元，并詳細(xì)分析了PWM和逆變器單元的工作情況，今天我們繼續(xù)來熟悉無刷電機(jī)工作流程中另外兩個(gè)重要的部分——轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)和波形驅(qū)動(dòng)。

轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)是電機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)過程中不可或缺的一環(huán)，是實(shí)現(xiàn)電機(jī)精確控制和穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵，特別是對(duì)于需要高精度控制的電機(jī)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的精度和速度都至關(guān)重要。常用的無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)有兩種方式，即霍爾傳感器檢測(cè)和無傳感器檢測(cè)。

傳感器原理

霍爾傳感器的原理是檢測(cè)磁場(chǎng)并輸出與其大小成比例的模擬信號(hào)?；魻杺鞲衅鞯妮敵鐾ㄟ^比較器轉(zhuǎn)換為開關(guān)數(shù)字信號(hào)，然后作為無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。采用高精度、昂貴的編碼器和解析器來檢測(cè)伺服電機(jī)的位置，以實(shí)現(xiàn)精確的位置控制。對(duì)于2極電機(jī)，通過在定子面對(duì)轉(zhuǎn)子磁極的位置上，以120度的間隔布置三個(gè)霍爾傳感器，從而達(dá)到每60度檢測(cè)一次轉(zhuǎn)子位置的目的，如圖1所示，霍爾傳感器不需要接觸就能檢測(cè)位置，所以具有很高的耐用性，但它對(duì)高溫敏感，所以并不適用于所有環(huán)境。

圖1 霍爾傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)示意

由于超小型電機(jī)沒有空間用于安裝傳感器，或者對(duì)于追求性價(jià)比的電機(jī)來說，傳感器價(jià)格過于昂貴，因此轉(zhuǎn)子位置可以通過感應(yīng)電壓來檢測(cè)。此種情況采集通過轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)（感應(yīng)電壓）波形來確定位置。目前只有方波驅(qū)動(dòng)可以通過感應(yīng)電壓檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置。U相、V相、W相中的一組線圈始終處于關(guān)閉狀態(tài)。通過檢測(cè)無激勵(lì)相線的電機(jī)驅(qū)動(dòng)波形的幅度在變?yōu)?/2的點(diǎn)，轉(zhuǎn)子位置可以每60度指定一次，具體參考圖2所示的流程。值得注意的是，在停止?fàn)顟B(tài)下，這種方法存在弊端。由于沒有產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，所以無法檢測(cè)到位置。

圖2通過感應(yīng)電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的詳細(xì)示意

感應(yīng)電壓只適合方波驅(qū)動(dòng)情況，方波驅(qū)動(dòng)作為最簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)方法，根據(jù)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度，切換功率元件的開關(guān)狀態(tài)，然后改變定子線圈的電流方向，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一次，電流方向就會(huì)切換6次。電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用逆變電路，通過PWM控制電壓，如圖3所示。該方法與直流有刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理相同，它是無傳感器電機(jī)使用最廣泛的驅(qū)動(dòng)方法。

圖3方波驅(qū)動(dòng)的位置信息與工作狀態(tài)示意

與之對(duì)應(yīng)的就是正弦波驅(qū)動(dòng)，根據(jù)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度，以正弦的形式連續(xù)改變定子線圈的電壓，從而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。根據(jù)頻率的不同，電機(jī)的3相會(huì)有一定的“延遲”?？刂茣r(shí)，需要檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置。通常，使用三個(gè)位置傳感器每隔60度檢測(cè)一次位置，實(shí)時(shí)估算轉(zhuǎn)子位置，并輸出與轉(zhuǎn)子位置相符的正弦波電壓。采用逆變電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過PWM控制實(shí)現(xiàn)電壓的連續(xù)變化。與方波驅(qū)動(dòng)相比，它的效率更高，產(chǎn)生的振動(dòng)和噪音更小。

我們通過圖4來舉例展示方波驅(qū)動(dòng)的過程，如果正弦波為1 Hz，那么“播放”這個(gè)正弦波需要一秒鐘。如果第二波偏移120度，那么該第二波將在第一波之后0.33秒正好開始，也就是完整時(shí)間的三分之一。第三波將再次開始偏移120度，即第一波開始后0.66秒。這是為了適時(shí)控制直流無刷電機(jī)的U、V、W相。根據(jù)3相的時(shí)間順序，電機(jī)將順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

圖4正弦波驅(qū)動(dòng)狀態(tài)示意

經(jīng)過這兩期芝識(shí)課堂的學(xué)習(xí)，我們一起熟悉了整個(gè)無刷電機(jī)系統(tǒng)的工作狀況和驅(qū)動(dòng)細(xì)節(jié)，操控電機(jī)系統(tǒng)的知識(shí)已準(zhǔn)備就緒，下一期的芝識(shí)課堂就將進(jìn)入實(shí)戰(zhàn)動(dòng)手環(huán)節(jié)，大家可以嘗試讓電機(jī)真正的轉(zhuǎn)起來了!