1.BLDC的優(yōu)點(diǎn)

 

BLDC不使用機械結構的換向電刷而直接使用電子換向器，在使用中BLDC相比有刷電機有許多的優(yōu)點(diǎn)，比如： 

 

·能獲得更好的扭矩轉速特性； 

·高速動(dòng)態(tài)響應； 

·高效率； 

·長(cháng)壽命； 

·低噪聲； 

·高轉速。

 

另外，BLDC更優(yōu)的扭矩和外形尺寸比使得它更適合用于對電機自身重量和大小比較敏感的場(chǎng)合。在這篇應用筆記中將會(huì )對BLDC的結構、基本原理、特性和應用做一系列的探討。探討過(guò)程中可能用到的術(shù)語(yǔ)可以在附錄B“術(shù)語(yǔ)表”中找到相應的解釋。

 

2.BLDC結構和基本工作原理 

 

BLDC屬于同步電機的一種，這就意味著(zhù)它的定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)和轉子產(chǎn)生的磁場(chǎng)是同頻率的，所以BLDC并不會(huì )產(chǎn)生普通感應電機的頻差現象。BLDC中又有單相、2相和

 

3相電機的區別，相類(lèi)型的不同決定其定子線(xiàn)圈繞組的多少。在這里我們將集中討論的是應用最為廣泛的3相BLDC。 

 

2.1 定子 

 

BLDC定子是由許多硅鋼片經(jīng)過(guò)疊壓和軸向沖壓而成，每個(gè)沖槽內都有一定的線(xiàn)圈組成了繞組，可以參見(jiàn)下圖。從傳統意義上講，BLDC的定子和感應電機的定子有點(diǎn)類(lèi)似，不過(guò)在定子繞組的分布上有一定的差別。大多數的BLDC定子有3個(gè)呈星行排列的繞組，每個(gè)繞組又由許多內部結合的鋼片按照一定的方式組成，偶數個(gè)繞組分布在定子的周?chē)M成了偶數個(gè)磁極。

 

圖2.1.1. BLDC內部結構

 

BLDC的定子繞組可以分為梯形和正弦兩種繞組，它們的根本區別在于由于繞組的不同連接方式使它們產(chǎn)生的反電動(dòng)勢（反電動(dòng)勢的相關(guān)介紹請參加EMF一節）不同，分別呈現梯形和正弦波形，故用此命名了。梯形和正弦繞組產(chǎn)生的反電動(dòng)勢的波形圖如下圖。

 

 

另外還需要對反電動(dòng)勢的一點(diǎn)說(shuō)明就是繞組的不同其相電流也是呈現梯形和正弦波形，可想而知正弦繞組由于波形平滑所以運行起來(lái)相對梯形繞組來(lái)說(shuō)就更平穩一些。但是，正弦型繞組由于有更多繞組使得其在銅線(xiàn)的使用上就相對梯形繞組要多。

 

平時(shí)由于應用電壓的不同，我們可以根據需要選擇不同電壓范圍的無(wú)刷電機。48V及其以下應用電壓的電機可以用在汽車(chē)、機器人、小型機械臂等方面。100V及其以上電壓范圍的電機可以用在專(zhuān)用器具、自動(dòng)控制以及工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。

 

2.2 轉子

 

定子是2至8對永磁體按照N極和S極交替排列在轉子周?chē)鷺嫵傻模▋绒D子型），如果是外轉子型BLDC那么就是貼在轉子內壁咯。如圖2.2.1所示；

 

圖2.2.1 轉子磁極排布

 

2.3 霍爾傳感器 

 

與有刷直流電機不同，無(wú)刷直流電機使用電子方式換向。要使BLDC轉起來(lái)，必須要按照一定的順序給定子通電，那么我們就需要知道轉子的位置以便按照通電次序給相應的定子線(xiàn)圈通電。定子的位置是由嵌入到定子的霍爾傳感器感知的。通常會(huì )安排3個(gè)霍爾傳感器在轉子的旋轉路徑周?chē)?。無(wú)論何時(shí)，只要轉子的磁極掠過(guò)霍爾元件時(shí)，根據轉子當前磁極的極性霍爾元件會(huì )輸出對應的高或低電平，這樣只要根據3個(gè)霍爾元件產(chǎn)生的電平的時(shí)序就可以判斷當前轉子的位置，并相應的對定子繞組進(jìn)行通電。 

 

霍爾效應：當通電導體處于磁場(chǎng)中，由于磁場(chǎng)的作用力使得導體內的電荷會(huì )向導體的一側聚集，當薄平板通電導體處于磁場(chǎng)中時(shí)這種效應更為明顯，這樣一側聚集了電荷的導體會(huì )抵消磁場(chǎng)的這種影響，由于電荷在導體一側的聚集，從而使得導體兩側產(chǎn)生電壓，這種現象就稱(chēng)為霍爾效應，E.H霍爾在1879年發(fā)現了這一現象，故以此命名。

 

圖2.3.1 霍爾傳感器測量原理

 

圖 2.3.1顯示了NS磁極交替排列的轉子的橫截面?；魻栐卜旁陔姍C的固定位置，將霍爾元件安放到電機的定子是比較復雜的，因為如果安放時(shí)位置沒(méi)有和轉子的磁場(chǎng)相切那么就可能導致霍爾元件的測量值不能準確的反應轉子當前的位置，鑒于以上原因，為了簡(jiǎn)化霍爾元件的安裝，通常在電機的轉子上安裝一顆冗余的磁體，這個(gè)磁體專(zhuān)門(mén)用來(lái)感應霍爾元件，這樣就能起到和轉子磁體感應的相同效果，霍爾元件一般按照圓周安放在印刷電路板上并配備了調節蓋，這樣用戶(hù)就可以根據磁場(chǎng)的方向非常方便的調節霍爾元件的位置以便使它工作在最佳狀態(tài)。 

 

霍爾元件位置的安排上，有60°夾角和120°夾角兩種?；谶@種擺放形式，BLDC的電流換向順序由制造廠(chǎng)商制定，當我們控制電機的時(shí)候就需要用到這種換向順序。

 

注意：霍爾元件的電壓范圍從4V到24V不等，電流范圍從5mA到15mA不等，所以在考慮控制器時(shí)要考慮到霍爾元件的電流和電壓要求。另外，霍爾元件輸出集電極開(kāi)路，使用時(shí)需要接上拉電阻。

 

2.4 操作原理 

 

每一次換向都會(huì )有一組繞組處于正向通電；第二組反相通電；第三組不通電。轉子永磁體的磁場(chǎng)和定子鋼片產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用就產(chǎn)生了轉矩，理論上，當這兩個(gè)磁場(chǎng)夾角為90°時(shí)會(huì )產(chǎn)生最大的轉矩，當這兩個(gè)磁場(chǎng)重合時(shí)轉矩變?yōu)?，為了使轉子不停的轉動(dòng)，那么就需要按順序改變定子的磁場(chǎng)，就像轉子的磁場(chǎng)一直在追趕定子的磁場(chǎng)一樣。典型的“六步電流換向”順序圖展示了定子內繞組的通電次序。 

 

2.5 轉矩/轉速特性 

 

圖 2.5.1  轉矩和速度特性顯示了轉矩和轉速特性。BLDC一共有兩種轉矩度量：最大轉矩和額定轉矩。當電機連續運轉的時(shí)候表現出來(lái)的就是額定轉矩。在無(wú)刷電機達到額定轉速之前，轉矩不變，無(wú)刷電機最高轉速可以達到額定轉速的150%，但是超速時(shí)電機的轉矩會(huì )相應下降。 

 

在實(shí)際的應用中，我們常常會(huì )讓帶負載的電機啟動(dòng)、停轉和逆向運行，此時(shí)就需要比額定轉矩更大的轉矩。特別是當轉子靜止和反方向加速時(shí)啟動(dòng)電機，這個(gè)時(shí)候就需要更大的轉矩來(lái)抵消負載和轉子自身的慣性，這個(gè)時(shí)候就需要提供最大的轉矩一直到電機進(jìn)入正向轉矩曲線(xiàn)階段。

 

圖2.5.1 轉矩和速度特性

 

3. 換向時(shí)序

 

圖2.6.1顯示了霍爾元件的輸出、反電動(dòng)勢和相電流的關(guān)系。圖2.6.2顯示了根據霍爾元件輸出的波形應該繞組通電的時(shí)序。

 

圖2.6.1中的通電序號對應的就是圖2.6.2中的序號，每隔60°夾角其中一個(gè)霍爾元件就會(huì )改變一次其輸出特性，那么一圈（通電周期）下來(lái)就會(huì )有6次變化，同時(shí)相電流也會(huì )每60°改變一次。但是，每完成一個(gè)通電周期并不會(huì )使轉子轉動(dòng)一周,轉子轉動(dòng)一周需要的通電周期數目和轉子上的磁極的對數相關(guān)，轉子有多少對磁極那么就需要多少個(gè)通電周期。

 

圖2.6.3是關(guān)于使用MCU控制無(wú)刷電機的原理圖，其中微控制器PIC18FXX31控制Q0-Q5組成的驅動(dòng)電路按照一定的時(shí)序為BLDC通電，根據電機電壓和電流的不同可以選擇不同的驅動(dòng)電路，如MOSFET、IGBT或者直接使用雙極性三極管。

 

表2.6.1和表2.6.2表示的是基于霍爾輸入時(shí)在A(yíng)、B、C繞組上的通電時(shí)序。表2.6.1是轉子順時(shí)針轉動(dòng)的時(shí)序，表2.6.2是轉子逆時(shí)針轉動(dòng)的時(shí)序。上面兩個(gè)表格顯示的是當霍爾元件呈60°排列時(shí)的驅動(dòng)波形，前面也提到霍爾元件還可以呈120°的夾角排列，那么這個(gè)時(shí)候就需要相應的驅動(dòng)波形，這些波形都可以在電機生產(chǎn)商的資料里找到，應用時(shí)需要嚴格遵守通電時(shí)序。

 

圖2.6.1 BLDC運行時(shí)序

      

圖2.6.3 無(wú)刷電機的驅動(dòng)原理圖

 

如圖 2.6.3所示，假設驅動(dòng)電壓和電機運行時(shí)的電壓相等（包括驅動(dòng)電路本身的損耗），當PWMx按照給定的時(shí)序開(kāi)和關(guān)時(shí)無(wú)刷電機將會(huì )以額定的轉速旋轉。為了調速，我們使用遠高于電機運轉頻率的PWM波驅動(dòng)電機，通常我們需要至少10倍于電機最高頻率的PWM驅動(dòng)波形。當PWM驅動(dòng)波形的占空比變化時(shí)，使得其在定子上的有效電壓變化，這就實(shí)現了無(wú)刷電機的調速，另外，當驅動(dòng)電源電壓高于電機本身的額定電壓時(shí)，我們可以調節PWM的占空比來(lái)使得驅動(dòng)電源電壓適合電機的額定驅動(dòng)電壓?？上攵?，我們可以使用同一個(gè)控制器去掛接不同額定電壓的電機，此時(shí)只需要用控制器改變一下PWM的占空比就行了。另外還有一種控制方式：當微控制器的PWM輸出不夠用時(shí)，可以在整個(gè)通電時(shí)序內將上臂一直導通（即上臂不使用PWM）而下臂使用PWM驅動(dòng)。 

 

圖 2.6.3中連接數字和模擬轉換通道的分壓電路提供了一定速度的參考電壓，有了這個(gè)電壓，我們就可以計算PWM波形的有效值。

 

3.1 閉環(huán)控制 

 

我們可以通過(guò)閉環(huán)測量當前電機的轉速而達到控制電機的轉速的目的，我們通過(guò)計算期望轉速和實(shí)際轉速的誤差，然后使用PID算法去調節PWM的占空比以達到控制電機轉速的目的。 

 

對于低成本，低轉速的應用場(chǎng)合，可以使用霍爾傳感器獲得轉速反饋。利用PIC18FXX31微控制器本身的一個(gè)定時(shí)器去測量?jì)蓚€(gè)霍爾元件輸出信號，然后根據這個(gè)信號得出實(shí)際的轉速。 

 

在高轉速應用場(chǎng)合，我們可以在電機上裝上光電編碼器，可以利用其輸出相差90°的信號進(jìn)行轉速和轉向的測量。通常，光電編碼器還可以輸出PPR信號，使得可以進(jìn)行較精確的轉子定位，編碼器的編碼刻度可以上百甚至上千，編碼刻度越多，精度越高。

 

4. 反電動(dòng)勢（BACK EMF） 

 

根據楞次定律，當BLDC轉動(dòng)時(shí)其繞組會(huì )產(chǎn)生與繞組兩端電壓相反方向的反向電壓，這就是反電動(dòng)勢（BACK EMF）。記住，反電動(dòng)勢和繞組所加電壓是反向的。決定反電動(dòng)勢的主要因素有以下幾點(diǎn)： 

 

 · 轉子的角速度； 

· 轉子永磁體的磁場(chǎng)強度； 

· 每個(gè)定子繞組纏繞的線(xiàn)圈數量。 

計算反電動(dòng)勢的公式：Back EMF = (E) ∝ NlBw 其中： 

· N為每相繞組的線(xiàn)圈數量 

· L轉子的長(cháng)度 

· B為轉子的磁通密度 

· W為轉子的角速度 

 

當電機一旦做好，那么其繞組的線(xiàn)圈數量和永磁體的磁通密度就定了，由公式可知，唯一決定反電動(dòng)勢的量就是轉子的角速度（也可以換算為線(xiàn)速度）且角速度和反電動(dòng)勢成正比。廠(chǎng)家一般會(huì )提供電機的反電動(dòng)勢常量，通過(guò)它我們可以用來(lái)估計某一轉速下反電動(dòng)勢的大小。 

 

繞組上的電壓等于供電電壓減去反電動(dòng)勢，廠(chǎng)家在設計電機的時(shí)候會(huì )選取適當的反電動(dòng)勢常量以便電機工作時(shí)有足夠的電壓差可以使電機達到額定轉速并具有足夠的轉矩。當電機超過(guò)額定轉速工作時(shí)，反電動(dòng)勢會(huì )持續上升，這時(shí)加在電機繞組間的有效電壓會(huì )下降，電流會(huì )減少，扭矩會(huì )下降，當反電動(dòng)勢和供電電壓相等的時(shí)候，電流降為0，扭矩為0，電機達到極限轉速

 

5. 無(wú)傳感器BLDC控制

 

目前為止，我們所討論的都是基于霍爾元件獲取電機轉子位置的換向器控制方式，其實(shí)可以直接通過(guò)測量電機反電動(dòng)勢而知道轉子的位置，在 圖 2.6.1中已經(jīng)可以比較清晰的看出反電動(dòng)勢和霍爾元件輸出信號之間的關(guān)系。 

 

通過(guò)前些章節的討論，我們可以看出在任何時(shí)候，電機的繞組都是有一相為正向通電、一相為反向通電和另外一相為不通電。當某相反電動(dòng)勢反向的時(shí)候霍爾傳感器的輸出也跟著(zhù)變化。理想狀態(tài)下，霍爾元件的輸出會(huì )在相反電動(dòng)勢過(guò)零的時(shí)候發(fā)生改變，實(shí)際應用時(shí)會(huì )有一段小的延遲，這種延遲可以通過(guò)微控制器補償。 

 

圖 3.1.1為利用反電動(dòng)勢過(guò)零檢測的方式來(lái)控制BLDC。

 

圖3.1.1 過(guò)零檢測電機控制

 

還有一方面需要考慮：當電機轉速比較低的時(shí)候，反電動(dòng)勢會(huì )比較小，以致過(guò)零檢測電路無(wú)法正常檢測，這個(gè)時(shí)候在電機啟動(dòng)階段就需要使用開(kāi)環(huán)控制，當電機啟動(dòng)到產(chǎn)生可以過(guò)零檢測的反電動(dòng)勢轉速時(shí)，系統就需要切換到過(guò)零檢測控制模式，進(jìn)行閉環(huán)控制。最低的過(guò)零檢測轉速可以根據電機的反電動(dòng)勢常量計算出來(lái)。根據這個(gè)原理，可以去除霍爾元件以及因其安裝的輔助磁體，這樣就可以簡(jiǎn)化制造節約成本。另外，除去了霍爾元件的電機可以安裝在一些粉塵和油污比較大的地方而無(wú)須為保證霍爾的正常工作而定時(shí)進(jìn)行清理，與此同時(shí)，這種免維護電機還可以安裝在人很難觸及的地方。

 

6. 選擇合適的BLDC 

 

為實(shí)際應用選擇合適的電機是至關(guān)重要的。根據電機的負載特性，需要確定合適的電機參數。其主要參數有以下幾點(diǎn)： 

 

·應用是的最大扭矩要求；

·平方根(RMS)扭矩需求； 

·轉速要求。 

 

6.1 最大扭矩 

 

最大的扭矩可以通過(guò)將負載扭矩、轉動(dòng)慣量和摩擦力相加得到。另外，還有一些額外的因素影響最大需求扭矩如：氣隙空氣的阻力等，這就需要至少20%的扭矩余量，綜上所述，有以下等式： 

 

TP = (TL + TJ + TF) * 1.2 

 

TJ為電機啟動(dòng)或加速過(guò)程需要克服的轉動(dòng)力矩，其主要包括電機轉子的轉動(dòng)力矩和負載的轉動(dòng)力矩，其表示為： 

 

TJ = JL + M * α 

 

上式中α為加速度，JL+M為定子和負載的轉動(dòng)力矩。電機的機械軸決定電機的負載力矩和摩擦力。 

 

6.2 平方根扭矩 

 

可以近似的認為平方根扭矩為實(shí)際應用中需要的持續輸出扭矩。它由很多因素決定：最大扭矩、負載扭矩、轉動(dòng)慣量、加速、減速以及運行時(shí)間。下面的等式表示了平方根扭矩的計算，其中TA為加速時(shí)間、TD為減速時(shí)間和TR為運行時(shí)間。 

 

TRMS = √ [{TP2 TA + (TL + TF)2TR + (TJ – TL – TF)2 TD}/(TA + TR + TD)] 

 

6.3 轉速 

 

這是有應用需求的轉速。比如，吹風(fēng)機的轉速需求是，最高轉速和平均轉速相差不大，顯然在一些點(diǎn)對點(diǎn)定位系統如傳送帶和機械臂系統中就需要大轉速范圍的電機，可以根據電機的轉速梯形曲線(xiàn)（）確定電機的轉速需求。通常，由于其他因素，在計算電機轉速需求的時(shí)候需要留有10%余量。

 

圖6.3.1 轉速梯形曲線(xiàn)

 

7. BLDC典型應用 

 

BLDC的應用十分廣泛，如汽車(chē)、工具、工業(yè)工控、自動(dòng)化以及航空航天等等?？偟膩?lái)說(shuō)，BLDC可以分為以下三種主要用途： 

 

·持續負載應用 

·可變負載應用 

·定位應用 

 

7.1 持續負載應用 

 

這種應用主要用于那些需要一定轉速但是對轉速精度要求不高的領(lǐng)域，比如風(fēng)扇、抽水機、吹風(fēng)氣等一類(lèi)的應用。通常這類(lèi)應用成本比較低且多是開(kāi)環(huán)控制。 

 

7.2 可變負載應用 

 

這類(lèi)主要指的是電機轉速需要在某個(gè)范圍內變化的應用，在這類(lèi)應用中主要對電機的高轉速特性和動(dòng)態(tài)響應特性有更高的要求。家用器具中的洗衣機、甩干機和壓縮機就是很好的例子。在汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域，油泵控制、電控制器、發(fā)動(dòng)機控制和電子工具等也是很好的例子。在航空領(lǐng)域也有很多的應用，比如離心機、泵、機械臂、陀螺儀等等。這個(gè)領(lǐng)域中多使用電機反饋器件組成半開(kāi)環(huán)和閉環(huán)進(jìn)行控制。這就需要復雜的控制算法，增加了控制器的復雜程度也增加了系統成本。 

 

7.3 定位應用 

 

大多數的工業(yè)控制和自動(dòng)控制方面的應用屬于這個(gè)類(lèi)別。在這些應用中往往會(huì )完成能量的輸送，如齒輪或者傳送帶，因此系統對電機的轉速的動(dòng)態(tài)響應和轉矩有特別的要求，同時(shí)這些應用也可能需要隨時(shí)的改變電機的轉向，電機可能工作在勻速，加速，減少階段，而且有可能在這些階段中負載也在變化，所以這對控制器提出了更高的要求，通常這種控制使用閉環(huán)控制，甚至會(huì )有扭矩環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)三個(gè)控制環(huán)。測速時(shí)可能會(huì )用上光電編碼器和一些同步設備。有時(shí)候這些傳感器會(huì )被用于測量相對位置，也有時(shí)候用于測量絕對位置。過(guò)程控制、機械控制和運輸控制很多都屬于這類(lèi)應用。

 

8. 總結 

 

總的來(lái)說(shuō)，無(wú)刷電機相對傳統的有刷電機、感應電機而言，它擁有高的轉速/扭矩比、好動(dòng)態(tài)特性、高效率、長(cháng)壽命、低噪聲、寬轉速范圍和制造容易等等優(yōu)良特性。特別是去單位體積的功率輸出特性使得其可以用于對尺寸和重量敏感的場(chǎng)合。這些優(yōu)良的特性使得BLDC在工業(yè)控制領(lǐng)域、汽車(chē)工業(yè)、航空航天等等領(lǐng)域有著(zhù)非常廣泛的應用！

 

 

推薦閱讀：