01.概觀

從簡單的鉆機到復(fù)雜的工業(yè)機器人，許多機器和設(shè)備都使用無刷DC電機將電能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動。無刷DC電機，也稱為BLDC電機，與無刷DC電機相比有很多優(yōu)點。BLDC電機效率更高，需要的維護更少，因此在許多應(yīng)用中已經(jīng)取代了有刷電機。

圖1:電磁場和永磁磁場示意圖

兩種電機的工作原理相似，都是通過永磁體和電磁體的磁極相吸相斥產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動。但是這些電機的控制方式卻大相徑庭。BLDC需要一個復(fù)雜的控制器來將單個DC電源轉(zhuǎn)換為三相電壓，而有刷電機可以通過調(diào)整DC電壓來控制。

圖2:有刷電機和DC無刷電機的比較

2.DC汽車的類型

1.傳統(tǒng)有刷DC電機

如下圖所示，在有刷DC電機中，DC電流通過轉(zhuǎn)子的線圈繞組，使電磁鐵產(chǎn)生極性。這些轉(zhuǎn)子的磁極與固定永磁體(稱為定子)的磁極相互作用，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)半圈后，需要切換線圈繞組中電流的極性，以切換轉(zhuǎn)子磁極，保持電機旋轉(zhuǎn)。

這種電流極性的轉(zhuǎn)換叫做換向。

換向是通過機械手段實現(xiàn)的：轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)半周，電觸點(稱為電刷)與轉(zhuǎn)子上的換向器成回路連接。

這種身體接觸，久而久之會導(dǎo)致電刷磨損，從而導(dǎo)致電機無法工作。

圖3:有刷電機工作原理示意圖

2.無刷DC電機

BLDC電機采用電子換向代替機械換向，克服了有刷電機的上述缺陷。為了更好地理解這一點，有必要進一步了解BLDC電機的結(jié)構(gòu)。BLDC電機在結(jié)構(gòu)上與有刷電機相反，其永磁體安裝在轉(zhuǎn)子中，線圈繞組成為定子。

圖4:無刷DC電機工作原理示意圖

電機的磁體布局不同，定子可能有不同數(shù)量的繞組，轉(zhuǎn)子可能有多個極對，如下圖所示。

圖5:無刷DC電機極對示意圖

3.模擬BLDC電機觀察反電動勢曲線。

BLDC電機在結(jié)構(gòu)上類似于PMSM，其永磁體放置在轉(zhuǎn)子中，它被定義為同步電機。在同步電機中，轉(zhuǎn)子和定子磁場是同步的，即轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與定子磁場相同。

它們的主要區(qū)別在于它們的反電動勢(反電動勢)的形狀。馬達(dá)轉(zhuǎn)動時就像發(fā)電機一樣。也就是說，定子中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓與電機的驅(qū)動電壓相反。反電動勢是電機的一個重要特性，因為它的形狀決定了電機最優(yōu)控制所需的算法。

BLDC電機的設(shè)計使其反電勢為梯形，所以一般采用梯形換向控制。BLDC的梯形反電動勢由梯形換向控制。

圖6:無刷DC電機反電動勢波形示意圖

PMSM的反電動勢是正弦的，所以采用磁場定向控制。PMSM正弦反電動勢由磁場方向控制。

圖7:PMSM反電動勢波形示意圖

在電機控制領(lǐng)域，PMSM和BLDC這兩個術(shù)語有時會混淆，這可能會導(dǎo)致其反電動勢曲線的混亂。本文將BLDC電機嚴(yán)格定義為具有梯形反電動勢的電機。

圖8:查看反電動勢波形的BLDC電機模擬

在圖中，Simulink用于模擬具有開路端子的單極對BLDC，即沒有電流流過線圈。如果施加扭矩來驅(qū)動轉(zhuǎn)子，電動機將充當(dāng)發(fā)電機。可以測量A相電壓隨時間的變化，從而觀察電機的反電動勢形狀。電壓波形顯示BLDC電機反電動勢呈梯形，部分區(qū)域電壓平坦。

4.六步相變

為了更好地理解BLDC電機在施加外部電壓時的行為，我們將使用前面介紹的配置，其中轉(zhuǎn)子由單極對組成，定子由三個夾角為120度的線圈組成。讓電流通過線圈，給線圈通電(這里指的是A相、B相、C相)。轉(zhuǎn)子的北極顯示為紅色

首先，線圈沒有通電，轉(zhuǎn)子處于靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)在A相與C相之間施加電壓時(如下圖所示)，會沿著虛線產(chǎn)生一個復(fù)合磁場。這導(dǎo)致轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)，從而與定子磁場對齊。

圖9:定子磁場產(chǎn)生的示意圖(虛線)

線圈有六種通電方式，如下圖所示。每次換相后，定子磁場相應(yīng)旋轉(zhuǎn)，從而帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到圖示位置。在下圖中，轉(zhuǎn)子的角度是相對于水平軸的。轉(zhuǎn)子有六種對中方式，它們之間相差60度。

圖10:線圈通電示意圖

也就是說，如果每隔60度以正確的相位進行換向，電機將持續(xù)旋轉(zhuǎn)，如下圖所示。這種控制稱為六步換相或階梯控制。

圖11:六步換向(梯形控制)

這種電機可以包含更多的極對，但這需要更頻繁的換向。為了在正確的時間和正確的相位執(zhí)行電機換向，控制器需要隨時知道轉(zhuǎn)子的準(zhǔn)確位置，該位置通常由霍爾傳感器測量。

圖12:不同極對的電機換向角示意圖

5.電機和扭矩生成

下圖箭頭表示相對磁力，箭頭粗細(xì)表示場強。相同的磁極互相排斥，所以轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)。同時，相反的磁極相互吸引，從而增加同方向的扭矩。

轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)60度后，發(fā)生下一次換向。

圖13:磁場作用示意圖

將前面討論過的定子磁場疊加在上圖中，可以清楚地看到，在這種換相模式下，轉(zhuǎn)子始終沒有對準(zhǔn)定子磁場(圖中黃色虛線)，而是一直追趕定子磁場。

圖14:定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場示意圖

在BLDC電機中使用這種方法來改變相位有兩個原因。首先，如果讓轉(zhuǎn)子和定子的磁場完全對齊，此時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩將為零，不利于旋轉(zhuǎn)。其次，當(dāng)磁場的夾角為90度時，可以產(chǎn)生最大的扭矩。所以目標(biāo)是讓夾角接近90度。

圖15:轉(zhuǎn)子磁場和定子磁場之間的夾角示意圖

但在BLDC電機中，采用六步換向，夾角不能一直保持在90度，夾角會在60度到120度之間波動，如下圖所示。這是因為梯形控制的本質(zhì)比較簡單。更先進的方法，如磁場定向控制，可以實現(xiàn)定子和轉(zhuǎn)子磁場之間的90度角，從而產(chǎn)生更大的扭矩。這種方法常用于前面提到的PMSM控制。

圖16:轉(zhuǎn)子磁場和定子磁場的夾角示意圖

6.三相逆變器的工作原理

為了控制六步換相過程中的相位，可以使用三相逆變器將直流電引導(dǎo)至三相，從而在正(紅色)和負(fù)(藍(lán)色)電流之間切換。為向其中一相提供正電流，需要接通連接到該相的高端開關(guān)，為提供負(fù)電流，需要接通低端開關(guān)。

圖17:三相逆變橋示意圖

當(dāng)轉(zhuǎn)子和定子磁場的夾角在60-120度之間時，按上述方式進行此操作，三相逆變器可保持電機勻速旋轉(zhuǎn)。為了改變電機速度，可以調(diào)節(jié)施加的電壓。為了在不改變電源電壓的情況下控制電機速度，可以使用脈寬調(diào)制(PWM)。