无刷直流电机资料梳理·完整全面
本文要介绍在电机品种里，发展快速且运用广泛的无刷直流电机(简称BLDC)。BLDC被广泛运用于日常生活用具、汽车工业、航空、消费电子、医学电子、工业自动化等设备和仪表中。
1.BLDC的长处
BLDC不运用机械结构的换向电刷而直接运用电子换向器，在运用中BLDC比较有刷电机有许多的长处，比方：
·能取得更好的扭矩转速特性;
·高速动态呼应;
·高效率;
·长寿命;
·低噪声;
·高转速。
别的，BLDC更优的扭矩和外形尺度比使得它更适合用于对电机自身分量和巨细比较灵敏的场合。在这篇运用笔记中将会对BLDC的结构、基本原理、特性和运用做一系列的评论。评论过程中或许用到的术语能够在附录B“术语表”中找到相应的解说。
2.BLDC结构和基本作业原理
BLDC归于同步电机的一种，这就意味着它的定子发生的磁场和转子发生的磁场是同频率的，所以BLDC并不会发生普通感应电机的频差现象。BLDC中又有单相、2相和
3相电机的差异，相类型的不同决议其定子线圈绕组的多少。在这里咱们将集中评论的是运用最为广泛的3相BLDC。
2.1 定子
BLDC定子是由许多硅钢片经过叠压和轴向冲压而成，每个冲槽内都有必定的线圈组成了绕组，能够参见下图。从传统意义上讲，BLDC的定子和感应电机的定子有点相似，不过在定子绕组的分布上有必定的不同。大多数的BLDC定子有3个呈星行摆放的绕组，每个绕组又由许多内部结合的钢片依照必定的方法组成，偶数个绕组分布在定子的周围组成了偶数个磁极。
图2.1.1. BLDC内部结构
BLDC的定子绕组能够分为梯形和正弦两种绕组，它们的根本差异在于因为绕组的不同连接方法使它们发生的反电动势(反电动势的相关介绍请参加EMF一节)不同，别离出现梯形和正弦波形，故用此命名了。梯形和正弦绕组发生的反电动势的波形图如下图。
别的还需求对反电动势的一点说明便是绕组的不同其相电流也是出现梯形和正弦波形，可想而知正弦绕组因为波形平滑所以运转起来相对梯形绕组来说就更平稳一些。可是，正弦型绕组因为有更多绕组使得其在铜线的运用上就相对梯形绕组要多。
平常因为运用电压的不同，咱们能够依据需求挑选不同电压规模的无刷电机。48V及其以下运用电压的电机能够用在汽车、机器人、小型机械臂等方面。100V及其以上电压规模的电机能够用在专用用具、自动操控以及工业生产范畴。
2.2 转子
定子是2至8对永磁体依照N极和S极替换摆放在转子周围构成的(内转子型)，如果是外转子型BLDC那么便是贴在转子内壁咯。如图2.2.1所示;
图2.2.1 转子磁极排布
2.3 霍尔传感器
与有刷直流电机不同，无刷直流电机运用电子方法换向。要使BLDC转起来，有必要要依照必定的次序给定子通电，那么咱们就需求知道转子的方位以便依照通电次序给相应的定子线圈通电。定子的方位是由嵌入到定子的霍尔传感器感知的。一般会组织3个霍尔传感器在转子的旋转路径周围。无论何时，只要转子的磁极掠过霍尔元件时，依据转子当时磁极的极性霍尔元件会输出对应的高或低电平，这样只要依据3个霍尔元件发生的电平的时序就能够判断当时转子的方位，并相应的对定子绕组进行通电。
霍尔效应：当通电导体处于磁场中，因为磁场的作用力使得导体内的电荷会向导体的一侧集合，当薄平板通电导体处于磁场中时这种效应更为显着，这样一侧集合了电荷的导体会抵消磁场的这种影响，因为电荷在导体一侧的集合，从而使得导体两边发生电压，这种现象就称为霍尔效应，E.H霍尔在1879年发现了这一现象，故以此命名。
图2.3.1 霍尔传感器丈量原理
图 2.3.1显现了NS磁极替换摆放的转子的横截面。霍尔元件安放在电机的固定方位，将霍尔元件安放到电机的定子是比较杂乱的，因为如果安放时方位没有和转子的磁场相切那么就或许导致霍尔元件的丈量值不能准确的反响转子当时的方位，鉴于以上原因，为了简化霍尔元件的装置，一般在电机的转子上装置一颗冗余的磁体，这个磁体专门用来感应霍尔元件，这样就能起到和转子磁体感应的相同效果，霍尔元件一般依照圆周安放在印刷电路板上并装备了调理盖，这样用户就能够依据磁场的方向十分便利的调理霍尔元件的方位以便使它作业在最佳状况。
霍尔元件方位的组织上，有60°夹角和120°夹角两种。依据这种摆放形式，BLDC的电流换向次序由制造厂商制定，当咱们操控电机的时分就需求用到这种换向次序。
注意：霍尔元件的电压规模从4V到24V不等，电流规模从5mA到15mA不等，所以在考虑操控器时要考虑到霍尔元件的电流和电压要求。别的，霍尔元件输出集电极开路，运用时需求接上拉电阻。
2.4 操作原理
每一次换向都会有一组绕组处于正向通电;第二组反相通电;第三组不通电。转子永磁体的磁场和定子钢片发生的磁场相互作用就发生了转矩，理论上，当这两个磁场夹角为90°时会发生最大的转矩，当这两个磁场重合时转矩变为0，为了使转子不停的滚动，那么就需求按次序改动定子的磁场，就像转子的磁场一直在追逐定子的磁场相同。典型的“六步电流换向”次序图展现了定子内绕组的通电次序。
2.5 转矩/转速特性
图 2.5.1 转矩和速度特性显现了转矩和转速特性。BLDC一共有两种转矩衡量：最大转矩和额定转矩。当电机接连运转的时分表现出来的便是额定转矩。在无刷电机到达额定转速之前，转矩不变，无刷电机最高转速能够到达额定转速的150%，可是超速时电机的转矩会相应下降。
在实践的运用中，咱们常常会让带负载的电机发动、停转和逆向运转，此刻就需求比额定转矩更大的转矩。特别是当转子静止和反方向加快时发动电机，这个时分就需求更大的转矩来抵消负载和转子自身的惯性，这个时分就需求供给最大的转矩一直到电机进入正向转矩曲线阶段。
图2.5.1 转矩和速度特性
3. 换向时序
图2.6.1显现了霍尔元件的输出、反电动势和相电流的联系。图2.6.2显现了依据霍尔元件输出的波形应该绕组通电的时序。
图2.6.1中的通电序号对应的便是图2.6.2中的序号，每隔60°夹角其中一个霍尔元件就会改动一次其输出特性，那么一圈(通电周期)下来就会有6次改动，一起相电流也会每60°改动一次。可是，每完结一个通电周期并不会使转子滚动一周,转子滚动一周需求的通电周期数目和转子上的磁极的对数相关，转子有多少对磁极那么就需求多少个通电周期。
图2.6.3是关于运用MCU操控无刷电机的原理图，其中微操控器PIC18FXX31操控Q0-Q5组成的驱动电路依照必定的时序为BLDC通电，依据电机电压和电流的不同能够挑选不同的驱动电路，如MOSFET、IGBT或者直接运用双极性三极管。
表2.6.1和表2.6.2表明的是依据霍尔输入时在A、B、C绕组上的通电时序。表2.6.1是转子顺时针滚动的时序，表2.6.2是转子逆时针滚动的时序。上面两个表格显现的是当霍尔元件呈60°摆放时的驱动波形，前面也说到霍尔元件还能够呈120°的夹角摆放，那么这个时分就需求相应的驱动波形，这些波形都能够在电机生产商的资料里找到，运用时需求严格遵守通电时序。
图2.6.1 BLDC运转时序
图2.6.3 无刷电机的驱动原理图
如图 2.6.3所示，假设驱动电压和电机运转时的电压持平(包含驱动电路自身的损耗)，当PWMx依照给定的时序开和关时无刷电机将会以额定的转速旋转。为了调速，咱们运用远高于电机运转频率的PWM波驱动电机，一般咱们需求至少10倍于电机最高频率的PWM驱动波形。当PWM驱动波形的占空比改动时，使得其在定子上的有用电压改动，这就完成了无刷电机的调速，别的，当驱动电源电压高于电机自身的额定电压时，咱们能够调理PWM的占空比来使得驱动电源电压适合电机的额定驱动电压。可想而知，咱们能够运用同一个操控器去挂接不同额定电压的电机，此刻只需求用操控器改动一下PWM的占空比就行了。别的还有一种操控方法：当微操控器的PWM输出不行用时，能够在整个通电时序内将上臂一直导通(即上臂不运用PWM)而下臂运用PWM驱动。
图 2.6.3中连接数字和模拟转化通道的分压电路供给了必定速度的参阅电压，有了这个电压，咱们就能够核算PWM波形的有用值。
3.1 闭环操控
咱们能够经过闭环丈量当时电机的转速而到达操控电机的转速的意图，咱们经过核算希望转速和实践转速的误差，然后运用PID算法去调理PWM的占空比以到达操控电机转速的意图。
关于低本钱，低转速的运用场合，能够运用霍尔传感器取得转速反应。运用PIC18FXX31微操控器自身的一个守时器去丈量两个霍尔元件输出信号，然后依据这个信号得出实践的转速。
在高转速运用场合，咱们能够在电机上装上光电编码器，能够运用其输出相差90°的信号进行转速和转向的丈量。一般，光电编码器还能够输出PPR信号，使得能够进行较精确的转子定位，编码器的编码刻度能够上百乃至上千，编码刻度越多，精度越高。
4. 反电动势(BACK EMF)
依据楞次定律，当BLDC滚动时其绕组会发生与绕组两端电压相反方向的反向电压，这便是反电动势(BACK EMF)。记住，反电动势和绕组所加电压是反向的。决议反电动势的主要要素有以下几点：
· 转子的角速度;
· 转子永磁体的磁场强度;
· 每个定子绕组缠绕的线圈数量。
核算反电动势的公式：Back EMF = (E) ∝ NlBw 其中：
· N为每相绕组的线圈数量
· L转子的长度
· B为转子的磁通密度
· W为转子的角速度
当电机一旦做好，那么其绕组的线圈数量和永磁体的磁通密度就定了，由公式可知，唯一决议反电动势的量便是转子的角速度(也能够换算为线速度)且角速度和反电动势成正比。厂家一般会供给电机的反电动势常量，经过它咱们能够用来估量某一转速下反电动势的巨细。
绕组上的电压等于供电电压减去反电动势，厂家在规划电机的时分会选取恰当的反电动势常量以便电机作业时有满足的电压差能够使电机到达额定转速并具有满足的转矩。当电机超过额定转速作业时，反电动势会继续上升，这时加在电机绕组间的有用电压会下降，电流会削减，扭矩会下降，当反电动势和供电电压持平的时分，电流降为0，扭矩为0，电机到达极限转速
5. 无传感器BLDC操控
目前为止，咱们所评论的都是依据霍尔元件获取电机转子方位的换向器操控方法，其实能够直接经过丈量电机反电动势而知道转子的方位，在 图 2.6.1中现已能够比较清晰的看出反电动势和霍尔元件输出信号之间的联系。
经过前些章节的评论，咱们能够看出在任何时分，电机的绕组都是有一相为正向通电、一相为反向通电和别的一相为不通电。当某相反电动势反向的时分霍尔传感器的输出也跟着改动。抱负状况下，霍尔元件的输出会在相反电动势过零的时分发生改动，实践运用时会有一段小的推迟，这种推迟能够经过微操控器补偿。
图 3.1.1为运用反电动势过零检测的方法来操控BLDC。
图3.1.1 过零检测电机操控
还有一方面需求考虑：当电机转速比较低的时分，反电动势会比较小，以致过零检测电路无法正常检测，这个时分在电机发动阶段就需求运用开环操控，当电机发动到发生能够过零检测的反电动势转速时，体系就需求切换到过零检测操控模式，进行闭环操控。最低的过零检测转速能够依据电机的反电动势常量核算出来。依据这个原理，能够去除霍尔元件以及因其装置的辅佐磁体，这样就能够简化制造节省本钱。别的，除去了霍尔元件的电机能够装置在一些粉尘和油污比较大的地方而无须为保证霍尔的正常作业而守时进行整理，与此一起，这种免维护电机还能够装置在人很难触及的地方。
6. 挑选适宜的BLDC
为实践运用挑选适宜的电机是至关重要的。依据电机的负载特性，需求确定适宜的电机参数。其主要参数有以下几点：
·运用是的最大扭矩要求;
·平方根(RMS)扭矩需求; ·转速要求。
6.1 最大扭矩
最大的扭矩能够经过将负载扭矩、滚动惯量和摩擦力相加得到。别的，还有一些额定的要素影响最大需求扭矩如：气隙空气的阻力等，这就需求至少20%的扭矩余量，综上所述，有以下等式：
TP = (TL + TJ + TF) * 1.2
TJ为电机发动或加快过程需求战胜的滚动力矩，其主要包含电机转子的滚动力矩和负载的滚动力矩，其表明为：
TJ = JL + M * α
上式中α为加快度，JL+M为定子和负载的滚动力矩。电机的机械轴决议电机的负载力矩和摩擦力。
6.2 平方根扭矩
能够近似的以为平方根扭矩为实践运用中需求的继续输出扭矩。它由许多要素决议：最大扭矩、负载扭矩、滚动惯量、加快、减速以及运转时刻。下面的等式表明了平方根扭矩的核算，其中TA为加快时刻、TD为减速时刻和TR为运转时刻。
TRMS = √ [{TP2 TA + (TL + TF)2TR + (TJ – TL – TF)2 TD}/(TA + TR + TD)]
6.3 转速
这是有运用需求的转速。比方，吹风机的转速需求是，最高转速和平均转速相差不大，显然在一些点对点定位体系如传送带和机械臂体系中就需求大转速规模的电机，能够依据电机的转速梯形曲线确定电机的转速需求。一般，因为其他要素，在核算电机转速需求的时分需求留有10%余量。
图6.3.1 转速梯形曲线
7. BLDC典型运用
BLDC的运用十分广泛，如汽车、东西、工业工控、自动化以及航空航天等等。总的来说，BLDC能够分为以下三种主要用途：
·继续负载运用
·可变负载运用
·定位运用
7.1 继续负载运用
这种运用主要用于那些需求必定转速可是对转速精度要求不高的范畴，比方风扇、抽水机、吹风气等一类的运用。一般这类运用本钱比较低且多是开环操控。
7.2 可变负载运用
这类主要指的是电机转速需求在某个规模内改动的运用，在这类运用中主要对电机的高转速特性和动态呼应特性有更高的要求。家用用具中的洗衣机、甩干机和压缩机便是很好的比方。在汽车工业范畴，油泵操控、电操控器、发动机操控和电子东西等也是很好的比方。在航空范畴也有许多的运用，比方离心机、泵、机械臂、陀螺仪等等。这个范畴中多运用电机反应器件组成半开环和闭环进行操控。这就需求杂乱的操控算法，增加了操控器的杂乱程度也增加了体系本钱。
7.3 定位运用
大多数的工业操控和自动操控方面的运用归于这个类别。在这些运用中往往会完结能量的输送，如齿轮或者传送带，因而体系对电机的转速的动态呼应和转矩有特别的要求，一起这些运用也或许需求随时的改动电机的转向，电机或许作业在匀速，加快，削减阶段，而且有或许在这些阶段中负载也在改动，所以这对操控器提出了更高的要求，一般这种操控运用闭环操控，乃至会有扭矩环、速度环和方位环三个操控环。测速时或许会用上光电编码器和一些同步设备。有时分这些传感器会被用于丈量相对方位，也有时分用于丈量肯定方位。过程操控、机械操控和运输操控许多都归于这类运用。
8. 总结
总的来说，无刷电机相对传统的有刷电机、感应电机而言，它具有高的转速/扭矩比、好动态特性、高效率、长寿命、低噪声、宽转速规模和制造容易等等优秀特性。特别是去单位体积的功率输出特性使得其能够用于对尺度和分量灵敏的场合。这些优秀的特性使得BLDC在工业操控范畴、汽车工业、航空航天等等范畴有着十分广泛的运用!
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