無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理

最近在DIY無刷電機(jī)驅(qū)動，因為初次接觸，所以有些許耗時，完成以后會在本公眾號開源分享。本期文章整理了一下無刷電機(jī)的工作原理以及部分驅(qū)動電路。

無刷直流電機(jī)

直流電動機(jī)具有運行效率高和調(diào)速性能好的優(yōu)點，但普通的直流電動機(jī)工作時需要用換向器和電刷來切換電壓極性，在切換過程中容易出現(xiàn)電火花和接觸不良現(xiàn)象會形成干擾并導(dǎo)致直流電動機(jī)的壽命縮短。無刷電動機(jī)的出現(xiàn)有效地解決了這個問題。

結(jié)構(gòu)與工作原理

普通永磁直流電動機(jī)是以永久磁鐵作為定子，以電樞繞組作為轉(zhuǎn)子，在工作時除了要為旋轉(zhuǎn)的電樞繞組供電，還要及時改變電壓極性，這些需用到電刷和換向器。

由于電刷和換向器長期摩擦，很容易出現(xiàn)接觸不良、電火花和電磁干擾等問題。為了解決這些問題， 無刷直流電動機(jī)采用永久磁鐵作為轉(zhuǎn)子，通電繞組作為定子，這樣就不需要電刷和換向器了，不過無刷直流電動機(jī)工作時需要配套的驅(qū)動電路。

圖1(源于網(wǎng)絡(luò))

圖1為三相九槽十二極無刷電機(jī)的換相圖，九槽可簡單理解為該電機(jī)共有九個定子繞組，十二極則指轉(zhuǎn)子共有十二個磁極，包含六個N極，六個S極。

因為無刷電機(jī)為三相，所以槽數(shù)始終為三的倍數(shù)，轉(zhuǎn)子磁極則是成對出現(xiàn)，所以極數(shù)始終為偶數(shù)。

無刷直流電動機(jī)位置檢測器采用霍爾傳感器，距磁環(huán)轉(zhuǎn)子很近，轉(zhuǎn)子的不同磁極靠近檢測器時，檢測器輸出不同的位置信號(電信號)。這里假設(shè)S極接近位置檢測器時，檢測器輸出低電平信號0，N極接近位置檢測器時，檢測器輸出高電平信號1。

驅(qū)動電路不斷檢測霍爾傳感器的電平信號，根據(jù)此信號不斷換相，讓無刷電機(jī)旋轉(zhuǎn)起來。

圖2

圖2為三相九槽十二級電機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖，圖中紅色三角形表示霍爾傳感器（要注意，傳感器之間互成40°），黃綠青三種顏色的矩形表示定子繞組，黃色為U相，綠色為V相，青色為W相。藍(lán)橙相間的圓為轉(zhuǎn)子，藍(lán)色表示N極，橙色表示S極。黑色線為標(biāo)示線，相鄰兩條黑線之間角度為10°。

圖3

假設(shè)圖3為電機(jī)初始位置，讀取霍爾傳感器電平為：

A:1 B:0 C:1

我們要讓電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動，則應(yīng)該使W相產(chǎn)生S極，V相產(chǎn)生N極，記作W_S和V_N。（繞組產(chǎn)生N極或S極根據(jù)右手螺旋定則判斷即可）

圖4

圖4在圖3的基礎(chǔ)上順時針轉(zhuǎn)動了10°，可以通過黑線對比看出。讀取霍爾傳感器電平為：

A:1 B:0 C:0

我們要讓電機(jī)繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)動，則應(yīng)該使W相產(chǎn)生S極，U相產(chǎn)生N極，記作W_S和U_N。

圖5

圖5在圖4的基礎(chǔ)上順時針轉(zhuǎn)動了10°，可以通過黑線對比看出。讀取霍爾傳感器電平為：

A:1 B:1 C:0

我們要讓電機(jī)繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)動，則應(yīng)該使V相產(chǎn)生S極，U相產(chǎn)生N極，記作V_S和U_N。

圖6

圖6在圖5的基礎(chǔ)上順時針轉(zhuǎn)動了10°，可以通過黑線對比看出。讀取霍爾傳感器電平為：

A:0 B:1 C:0

我們要讓電機(jī)繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)動，則應(yīng)該使V相產(chǎn)生S極，W相產(chǎn)生N極，記作V_S和W_N。

圖7

圖7在圖6的基礎(chǔ)上順時針轉(zhuǎn)動了10°，可以通過黑線對比看出。讀取霍爾傳感器電平為：

A:0 B:1 C:1

我們要讓電機(jī)繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)動，則應(yīng)該使U相產(chǎn)生S極，W相產(chǎn)生N極，記作U_S和W_N。

圖8

圖8在圖7的基礎(chǔ)上順時針轉(zhuǎn)動了10°，可以通過黑線對比看出。讀取霍爾傳感器電平為：

A:0 B:0 C:1

我們要讓電機(jī)繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)動，則應(yīng)該使U相產(chǎn)生S極，V相產(chǎn)生N極，記作U_S和V_N。

圖9

圖9在圖8的基礎(chǔ)上順時針轉(zhuǎn)動了10°，可以通過黑線對比看出。讀取霍爾傳感器電平為：

A:1 B:0 C:1

我們要讓電機(jī)繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)動，則應(yīng)該使W相產(chǎn)生S極，V相產(chǎn)生N極，記作U_S和V_N。

到此，轉(zhuǎn)子一共旋轉(zhuǎn)了70°，我們可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在的霍爾信號和圖3一樣了。接下來的信號變化將依次重復(fù)，也就是說，該電機(jī)的霍爾信號以60°為一個周期。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動10°就會有一個霍爾信號跳變。

驅(qū)動電路(部分)

圖10

圖10為部分驅(qū)動電路，圖中MOTOR_U，MOTOR_V，MOTOR_W分別接無刷電機(jī)的三相電源線即可。

假如某一時刻我們要給U、V兩相通電，那么只要給U1一個高電平，使Q1導(dǎo)通，然后再給V2一個矩形波即可。改變V2矩形波的占空比即可調(diào)速。也可以反過來，給V2一個高電平，給U1一個矩形波亦可。（電機(jī)內(nèi)部一般已經(jīng)按星形接法相接）

樣例后續(xù)更新。