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一文读懂直流无刷电机的工作原理及控制方法

作者:熊猫  来源:www.rimaijd.com  更新时间:2020-07-23 14:32:05  点击次数:

无刷直流电机简介

无刷直流电机,英语缩写为BLDC(Brushless Direct Current motor)。电机的定子是线圈(绕组),转子是永磁体。根据转子的位置,利用单片机来控制每个线圈的磁极变化,从而使转子在磁极同极相斥,异极相吸的原理下转动。


1 无刷直流电机的基本工作原理

1.1 无刷直流电机的结构

首先先从最基本的线圈说起。

如下图。可以将线圈理解成长得像弹簧一样的东西。根据初中学过的右手法则可知,当电流从该线圈的上到下流过的时候,线圈上面的极性为N,下面的极性为S。

现在再弄一根这样的线圈。然后摆弄一下位置。这样如果电流通过的话,就能像有两个电磁铁一样。

再弄一根,就可以构成最简单的三相绕组。

再加上永磁体做成的转子,就是一个无刷直流电动机了。

1.2 无刷直流电机的电流换向电路

无刷直流电机之所以既能用直流电,又不用电刷,是因为有个电路专门来控制它各线圈的电流流动方向。这个电流换向电路最主要的部件是FET(场效应晶体管,Field-Effect Transitor)。可以把FET看作是开关。下图简单地将FET标为F0~F5。FET的“开合”是由单片机控制的。

1.3 无刷直流电机的电流换向过程

FET的“开合”是由单片机控制的。最常用的电流换向顺序是six-step commutation。如下表。

1.4 无刷直流电机的转子是怎么转动的呢?

根据物理的常识,磁极同极相斥。以N极为例,永磁体转子在下图180°的角度范围内斥力最大。S极同理。

由此叠加可得,永磁体转子受力最大的区域是紫色的区域。对照电流换向表,推出其它的5种情况如下图所示。

然后加上永磁体转子,就能理解无刷直流电机的转子转动情况了。如下图,转子顺时针转动。


2 怎样控制无刷直流电机?

上面说过,控制转子转动的关键是,等转子转到合适的角度时,对通过线圈的电流进行换向,从而使线圈端的磁极发生变化,对转子产生排斥力或者吸引力,令转子转动下一个阶段的角度。

那这个电流换向的时机应该怎么把握呢?也就是说,我要怎么样知道现在转子转动到什么位置?

这就需要用到霍尔传感器(Hall sensor)。在无刷直流电机的内部,都装有霍尔传感器,数量一般为3个。

2.1 霍尔传感器

霍尔传感器通过霍尔效应(Hall effect),能检测出磁场强度的变化。根据高中物理所学的左手定则,在霍尔传感器所在的回路中,磁场使带电粒子的运动发生偏转,带电粒子“撞到”霍尔传感器的两边,产生电位差。这时就可以用电压计接到霍尔传感器的两边,检测出这种电压变化,从而检测出磁场强度的变化。原理如下图所示。

2.2 霍尔传感器怎样得到转子的位置?

有了霍尔传感器,就能知道知道转子的位置了。


根据HA,HB,HC是的上升沿,下降沿,可以知道转子所处位置的角度。比如,若HA是下降沿,我们能够知道转子处于180度~240度(电气角度)之间。使用3个霍尔传感器时,分辨率是60度的电气角度。

在本答案中举例用电机中,电气角度等于机械角度。根据永磁体转子的磁极对数不同,电气角度和机械角度的比例也会不同。

2.3 怎样控制无刷直流电机转动的方向?

改变电流换向的次序即可。比如从U→V变成从V→U。

2.4 怎样控制无刷直流电机的转速?

我们知道无刷直流电机的永磁体转子是受电磁铁(线圈)的排斥力和吸引力而转动的。所以线圈通的电流越大,磁力越强,转子转动得就越快。

因为接的电源是直流的,所以我们通常用PWM(Pulse Width Modulation,脉冲宽度调制)来控制通过线圈电流的大小。PWM的简单原理如下。

所以给无刷直流电机通电的时候,用单片机不断地控制FET的开合开合,能使线圈反复处于通电断电,通电断电的状态。通电时间长,线圈产生的电磁力就强,转子转动就快。

还记得上面的six-step commutation电流换向次序表吗?根据电流换向次序表,再加上PWM控制电机转速的情况,可以得到U、V、W各相通电的状态如下图所示。


尾记

综上,无刷直流电机的关键有三点:

1、线圈绕组磁性 变化的时机,即电流换向的时机。它决定了转子转动的方向

2、霍尔传感器对永磁体转子所处位置的反馈

3、使用单片机产生的PWM波形,控制转子转动的速度

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