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一文讀懂直流無刷電機的工作原理及控制方法

作者:熊貓  來源:www.dzwyx.com  更新時間:2020-07-23 14:32:05  點擊次數:

無刷直流電機簡介

無刷直流電機,英語縮寫為BLDC(Brushless Direct Current motor)。電機的定子是線圈(繞組),轉子是永磁體。根據轉子的位置,利用單片機來控制每個線圈的磁極變化,從而使轉子在磁極同極相斥,異極相吸的原理下轉動。


1 無刷直流電機的基本工作原理

1.1 無刷直流電機的結構

首先先從最基本的線圈說起。

如下圖??梢詫⒕€圈理解成長得像彈簧一樣的東西。根據初中學過的右手法則可知,當電流從該線圈的上到下流過的時候,線圈上面的極性為N,下面的極性為S。

現在再弄一根這樣的線圈。然后擺弄一下位置。這樣如果電流通過的話,就能像有兩個電磁鐵一樣。

再弄一根,就可以構成最簡單的三相繞組。

再加上永磁體做成的轉子,就是一個無刷直流電動機了。

1.2 無刷直流電機的電流換向電路

無刷直流電機之所以既能用直流電,又不用電刷,是因為有個電路專門來控制它各線圈的電流流動方向。這個電流換向電路最主要的部件是FET(場效應晶體管,Field-Effect Transitor)??梢园袴ET看作是開關。下圖簡單地將FET標為F0~F5。FET的“開合”是由單片機控制的。

1.3 無刷直流電機的電流換向過程

FET的“開合”是由單片機控制的。最常用的電流換向順序是six-step commutation。如下表。

1.4 無刷直流電機的轉子是怎么轉動的呢?

根據物理的常識,磁極同極相斥。以N極為例,永磁體轉子在下圖180°的角度范圍內斥力最大。S極同理。

由此疊加可得,永磁體轉子受力最大的區域是紫色的區域。對照電流換向表,推出其它的5種情況如下圖所示。

然后加上永磁體轉子,就能理解無刷直流電機的轉子轉動情況了。如下圖,轉子順時針轉動。


2 怎樣控制無刷直流電機?

上面說過,控制轉子轉動的關鍵是,等轉子轉到合適的角度時,對通過線圈的電流進行換向,從而使線圈端的磁極發生變化,對轉子產生排斥力或者吸引力,令轉子轉動下一個階段的角度。

那這個電流換向的時機應該怎么把握呢?也就是說,我要怎么樣知道現在轉子轉動到什么位置?

這就需要用到霍爾傳感器(Hall sensor)。在無刷直流電機的內部,都裝有霍爾傳感器,數量一般為3個。

2.1 霍爾傳感器

霍爾傳感器通過霍爾效應(Hall effect),能檢測出磁場強度的變化。根據高中物理所學的左手定則,在霍爾傳感器所在的回路中,磁場使帶電粒子的運動發生偏轉,帶電粒子“撞到”霍爾傳感器的兩邊,產生電位差。這時就可以用電壓計接到霍爾傳感器的兩邊,檢測出這種電壓變化,從而檢測出磁場強度的變化。原理如下圖所示。

2.2 霍爾傳感器怎樣得到轉子的位置?

有了霍爾傳感器,就能知道知道轉子的位置了。


根據HA,HB,HC是的上升沿,下降沿,可以知道轉子所處位置的角度。比如,若HA是下降沿,我們能夠知道轉子處于180度~240度(電氣角度)之間。使用3個霍爾傳感器時,分辨率是60度的電氣角度。

在本答案中舉例用電機中,電氣角度等于機械角度。根據永磁體轉子的磁極對數不同,電氣角度和機械角度的比例也會不同。

2.3 怎樣控制無刷直流電機轉動的方向?

改變電流換向的次序即可。比如從U→V變成從V→U。

2.4 怎樣控制無刷直流電機的轉速?

我們知道無刷直流電機的永磁體轉子是受電磁鐵(線圈)的排斥力和吸引力而轉動的。所以線圈通的電流越大,磁力越強,轉子轉動得就越快。

因為接的電源是直流的,所以我們通常用PWM(Pulse Width Modulation,脈沖寬度調制)來控制通過線圈電流的大小。PWM的簡單原理如下。

所以給無刷直流電機通電的時候,用單片機不斷地控制FET的開合開合,能使線圈反復處于通電斷電,通電斷電的狀態。通電時間長,線圈產生的電磁力就強,轉子轉動就快。

還記得上面的six-step commutation電流換向次序表嗎?根據電流換向次序表,再加上PWM控制電機轉速的情況,可以得到U、V、W各相通電的狀態如下圖所示。


尾記

綜上,無刷直流電機的關鍵有三點:

1、線圈繞組磁性 變化的時機,即電流換向的時機。它決定了轉子轉動的方向

2、霍爾傳感器對永磁體轉子所處位置的反饋

3、使用單片機產生的PWM波形,控制轉子轉動的速度

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