無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)工作原理?

無刷直流電機(jī)（BLDC）以電子換向器取代了機(jī)械換向器，所以無刷直流電機(jī)既具有直流電機(jī)良好的調(diào)速性能等特點(diǎn)，又具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無換向火花、運(yùn)行可靠和易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

圖1、無刷直流電機(jī)模型

無刷直流電機(jī)主要由用永磁材料制造的轉(zhuǎn)子、帶有線圈繞組的定子和位置傳感器（可有可無）組成?？梢姡椭绷麟姍C(jī)有著很多共同點(diǎn)，定子和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)差不多（原來的定子變?yōu)檗D(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子變?yōu)槎ㄗ樱?，繞組的連線也基本相同。但是，結(jié)構(gòu)上它們有一個(gè)明顯的區(qū)別：無刷直流電機(jī)沒有直流電機(jī)中的換向器和電刷，取而代之的是位置傳感器。這樣，電機(jī)結(jié)構(gòu)就相對(duì)簡(jiǎn)單，降低了電機(jī)的制造和維護(hù)成本，但無刷直流電機(jī)不能自動(dòng)換向（相），犧牲的代價(jià)是電機(jī)控制器成本的提高（如同樣是三相直流電機(jī)，有刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)橋需要 4 只功率管，而無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)橋則需要 6 只功率管）。

圖1所示為其中一種小功率三相、星形連接、單副磁對(duì)極的無刷直流電機(jī)，它的定子在內(nèi)，轉(zhuǎn)子在外。另一種無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和這種剛剛相反，它的定子在外，轉(zhuǎn)子在內(nèi)，即定子是線圈繞組組成的機(jī)座，而轉(zhuǎn)子用永磁材料制造。

無刷直流電機(jī)有以下的特點(diǎn)：

● 無刷直流電機(jī)的外特性好，能夠在低速下輸出大轉(zhuǎn)矩，使得它可以提供大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；

● 無刷直流電機(jī)的速度范圍寬，任何速度下都可以全功率運(yùn)行；

● 無刷直流電機(jī)的效率高、過載能力強(qiáng)，使得它在拖動(dòng)系統(tǒng)中有出色的表現(xiàn)；

● 無刷直流電機(jī)的再生制動(dòng)效果好，由于它的轉(zhuǎn)子是永磁材料，制動(dòng)時(shí)電機(jī)可以進(jìn)入發(fā)電機(jī)狀態(tài)；

● 無刷直流電機(jī)的體積小，功率密度高；

● 無刷直流電機(jī)無機(jī)械換向器，采用全封閉式結(jié)構(gòu)，可以防止塵土進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，可靠性高；

● 無刷直流電機(jī)比異步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制簡(jiǎn)單。

無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)工作原理?

無刷直流電機(jī)的定子是線圈繞組電樞，轉(zhuǎn)子是永磁體。如果只給電機(jī)通以固定的直流電流，則電機(jī)只能產(chǎn)生不變的磁場(chǎng)，電機(jī)不能轉(zhuǎn)動(dòng)起來，只有實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，再根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置給電機(jī)的不同相通以對(duì)應(yīng)的電流，使定子產(chǎn)生方向均勻變化的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，電機(jī)才可以跟著磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)起來。

如圖2所示為無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理示意圖，為了方便描述，電機(jī)定子的線圈中心抽頭接電機(jī)電源 POWER，各相的端點(diǎn)接功率管，位置傳感器導(dǎo)通時(shí)使功率管的 G極接 12V，功率管導(dǎo)通，對(duì)應(yīng)的相線圈被通電。由于三個(gè)位置傳感器隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)依次導(dǎo)通，使得對(duì)應(yīng)的相線圈也依次通電，從而定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向也不斷地變化，電機(jī)轉(zhuǎn)子也跟著轉(zhuǎn)動(dòng)起來，這就是無刷直流電機(jī)的基本轉(zhuǎn)動(dòng)原理——檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，依次給各相通電，使定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向連續(xù)均勻地變化。

圖2：無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)原理示意圖

1．三相驅(qū)動(dòng)橋?

下圖為無刷電機(jī)的三相全橋驅(qū)動(dòng)電路，使用六個(gè)N溝道的MOSFET管（Q1～Q6）做功率輸出元件，工作時(shí)輸出電流可達(dá)數(shù)十安。為便于描述，該電路有以下默認(rèn)約定：Q1/Q2/Q3稱做驅(qū)動(dòng)橋的“上臂”，Q4/Q5/Q6稱做“下臂”。

圖中R1/R2/R3為Q1/Q2/Q3的上拉電阻，連接到二極管和電容組成的倍壓整流電路（原理請(qǐng)自行分析），為上臂驅(qū)動(dòng)管提供兩倍于電源電壓（2×11V）的上拉電平，使上臂MOSFET在工作時(shí)有足夠高的VGS壓差，降低MOSFET大電流輸出時(shí)的導(dǎo)通內(nèi)阻，詳細(xì)數(shù)據(jù)可參考MOS管DataSheet。?

上臂MOS管的G極分別由Q7/Q8/Q9驅(qū)動(dòng)，在工作時(shí)只起到導(dǎo)通換相的作用。下臂MOS由MCU的PWM輸出口直接驅(qū)動(dòng)，注意所選用的MCU管腳要有推挽輸出特性。

驅(qū)動(dòng)橋全部選用N溝道MOSFET的好處：?

大電流N溝道MOS可供選擇的型號(hào)眾多，貨源充足便于購(gòu)買，使用的MOSFET類型減少，間接降低采購(gòu)元件的難度。???

在圖1中，上臂MOS管經(jīng)過Q7/Q8/Q9驅(qū)動(dòng)，邏輯電平和下臂MOS剛好相反，這樣的好處是，MCU上電時(shí)I/O默認(rèn)為1，上臂MOS不會(huì)導(dǎo)通。只有下臂MOS導(dǎo)通，因此不會(huì)有電流經(jīng)過驅(qū)動(dòng)橋，消除了潛在電路隱患。??

C8是整個(gè)電調(diào)的電源濾波電容，使用中一定要接上，否則無刷電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)疊加在電源上不能被濾除，由倍壓電路整流后的電壓高達(dá)30V左右，己接近MOSFET的VGS上限，可能會(huì)損壞MOSFET。?

2．反電動(dòng)勢(shì)波形

上圖所示為無刷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中的理想反電動(dòng)勢(shì)波形，紅線標(biāo)出來的是反電動(dòng)勢(shì)的過零點(diǎn)。兩個(gè)虛線間是60度電氣角度，不要理解成電機(jī)的機(jī)械角度。常用航模電機(jī)屬于無刷三相六拍電機(jī)，每個(gè)電周期有六個(gè)狀態(tài)。星形接法中（Y形）在每一時(shí)刻電機(jī)的通電線圈只有兩相，另一相線圈懸空，懸空的線圈會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，反電動(dòng)勢(shì)來源于電機(jī)磁體旋轉(zhuǎn)而造成本線圈切割磁力線和另兩相線圈通電時(shí)的互感。由于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的瞬時(shí)角速度呈梯形波動(dòng)，產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)也相應(yīng)的呈梯形變化。但這些不是重要的，我們需要的只是準(zhǔn)確的檢測(cè)出過零點(diǎn)，為換相做準(zhǔn)備。看上圖中的第一個(gè)電周期過零點(diǎn)數(shù)目，三個(gè)線圈在時(shí)間軸上共出現(xiàn)6次過零點(diǎn)，和電周期的節(jié)拍數(shù)目相同。我們所要做的是，只要檢測(cè)到過零點(diǎn)，就需要給電機(jī)換相了。

3．過零檢測(cè)電路?

用比較器檢測(cè)過零點(diǎn)的基本電路接法，電機(jī)的相線（A/B/C）接比較器的同相輸入端，比較器的負(fù)端接相線A/B/C的虛擬地電位。虛擬地電位由A/B/C相經(jīng)過電阻隔離形成，詳細(xì)原理可參考相關(guān)資料。相線上產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)電壓以虛擬地為參考點(diǎn)，做正負(fù)周期性的變化。在每次比較器輸出狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時(shí)，說明檢測(cè)到了過零點(diǎn)，接下來需要做換相動(dòng)作了。A/B/C三相分別需要一個(gè)過零點(diǎn)檢測(cè)電路，也可用電子開關(guān)電路進(jìn)行實(shí)時(shí)切換，A/B/C相共用一個(gè)過零檢測(cè)電路，這通常在集成了模擬外設(shè)的MCU內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

4．線圈換相的順序?

關(guān)于電機(jī)運(yùn)行的換相步驟，需嚴(yán)格按照以下的換相順序如圖4所示，應(yīng)用中需要調(diào)換電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，只需把電機(jī)的任意兩根相線對(duì)調(diào)即可。

5.?過零點(diǎn)的30度電角度延遲?

理想的反電動(dòng)勢(shì)波形和霍爾傳感器輸出波形對(duì)比圖，從圖中可看出，反電動(dòng)勢(shì)的過零點(diǎn)和霍爾傳感器的波形翻轉(zhuǎn)同步，如果用此反電動(dòng)勢(shì)過零信號(hào)進(jìn)行程序換相會(huì)獲得和有感無刷電機(jī)一樣的運(yùn)轉(zhuǎn)性能。

實(shí)際的反電動(dòng)勢(shì)波形和霍爾波形對(duì)比圖如上所示，紅線為霍爾的輸出波形，黑色虛線是反電動(dòng)勢(shì)，紫色豎線為反電動(dòng)勢(shì)的過零點(diǎn)，時(shí)間軸的方向?yàn)閺淖笸遥梢缘弥措妱?dòng)勢(shì)的過零點(diǎn)比霍爾傳感器的輸出波形提前了半個(gè)電節(jié)拍，即30度電角度。為了能夠在正確的時(shí)刻才換相，需要在檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)后延遲30度電角度之后，才進(jìn)行換相。究竟延遲多長(zhǎng)時(shí)間才夠30度時(shí)間呢？需要對(duì)相鄰兩個(gè)過零點(diǎn)之間的時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，因?yàn)闊o刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速是會(huì)變化的，相應(yīng)的電周期也會(huì)變化。用定時(shí)器得到計(jì)時(shí)值后除以2就是當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速下的30度電角度延遲時(shí)間值，把此時(shí)間值裝入一個(gè)定時(shí)器，并打開該定時(shí)器中斷，等延時(shí)完畢進(jìn)中斷即可完成電機(jī)換相。