01.概觀

從簡(jiǎn)單的鉆機(jī)到復(fù)雜的工業(yè)機(jī)器人，許多機(jī)器和設(shè)備都使用無(wú)刷DC電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。無(wú)刷DC電機(jī)，也稱為BLDC電機(jī)，與無(wú)刷DC電機(jī)相比有很多優(yōu)點(diǎn)。BLDC電機(jī)效率更高，需要的維護(hù)更少，因此在許多應(yīng)用中已經(jīng)取代了有刷電機(jī)。

圖1:電磁場(chǎng)和永磁磁場(chǎng)示意圖

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

圖2:有刷電機(jī)和DC無(wú)刷電機(jī)的比較

2.DC汽車(chē)的類型

1.傳統(tǒng)有刷DC電機(jī)

如下圖所示，在有刷DC電機(jī)中，DC電流通過(guò)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(jī)旋轉(zhuǎn)。

這種電流極性的轉(zhuǎn)換叫做換向。

換向是通過(guò)機(jī)械手段實(shí)現(xiàn)的：轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)半周，電觸點(diǎn)(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(huì)導(dǎo)致電刷磨損，從而導(dǎo)致電機(jī)無(wú)法工作。

圖3:有刷電機(jī)工作原理示意圖

2.無(wú)刷DC電機(jī)

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

圖4:無(wú)刷DC電機(jī)工作原理示意圖

電機(jī)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(gè)極對(duì)，如下圖所示。

圖5:無(wú)刷DC電機(jī)極對(duì)示意圖

3.模擬BLDC電機(jī)觀察反電動(dòng)勢(shì)曲線。

BLDC電機(jī)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(jī)。在同步電機(jī)中，轉(zhuǎn)子和定子磁場(chǎng)是同步的，即轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與定子磁場(chǎng)相同。

它們的主要區(qū)別在于它們的反電動(dòng)勢(shì)(反電動(dòng)勢(shì))的形狀。馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)就像發(fā)電機(jī)一樣。也就是說(shuō)，定子中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓與電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓相反。反電動(dòng)勢(shì)是電機(jī)的一個(gè)重要特性，因?yàn)樗男螤顩Q定了電機(jī)最優(yōu)控制所需的算法。

BLDC電機(jī)的設(shè)計(jì)使其反電勢(shì)為梯形，所以一般采用梯形換向控制。BLDC的梯形反電動(dòng)勢(shì)由梯形換向控制。

圖6:無(wú)刷DC電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)波形示意圖

PMSM的反電動(dòng)勢(shì)是正弦的，所以采用磁場(chǎng)定向控制。PMSM正弦反電動(dòng)勢(shì)由磁場(chǎng)方向控制。

圖7:PMSM反電動(dòng)勢(shì)波形示意圖

在電機(jī)控制領(lǐng)域，PMSM和BLDC這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)有時(shí)會(huì)混淆，這可能會(huì)導(dǎo)致其反電動(dòng)勢(shì)曲線的混亂。本文將BLDC電機(jī)嚴(yán)格定義為具有梯形反電動(dòng)勢(shì)的電機(jī)。

圖8:查看反電動(dòng)勢(shì)波形的BLDC電機(jī)模擬

在圖中，Simulink用于模擬具有開(kāi)路端子的單極對(duì)BLDC，即沒(méi)有電流流過(guò)線圈。如果施加扭矩來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子，電動(dòng)機(jī)將充當(dāng)發(fā)電機(jī)。可以測(cè)量A相電壓隨時(shí)間的變化，從而觀察電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)形狀。電壓波形顯示BLDC電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)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(jī)在施加外部電壓時(shí)的行為，我們將使用前面介紹的配置，其中轉(zhuǎn)子由單極對(duì)組成，定子由三個(gè)夾角為120度的線圈組成。讓電流通過(guò)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(méi)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(shí)(如下圖所示)，會(huì)沿著虛線產(chǎn)生一個(gè)復(fù)合磁場(chǎng)。這導(dǎo)致轉(zhuǎn)子開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，從而與定子磁場(chǎng)對(duì)齊。

圖9:定子磁場(chǎng)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(chǎng)相應(yīng)旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到圖示位置。在下圖中，轉(zhuǎn)子的角度是相對(duì)于水平軸的。轉(zhuǎn)子有六種對(duì)中方式，它們之間相差60度。

圖10:線圈通電示意圖

也就是說(shuō)，如果每隔60度以正確的相位進(jìn)行換向，電機(jī)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(jī)可以包含更多的極對(duì)，但這需要更頻繁的換向。為了在正確的時(shí)間和正確的相位執(zhí)行電機(jī)換向，控制器需要隨時(shí)知道轉(zhuǎn)子的準(zhǔn)確位置，該位置通常由霍爾傳感器測(cè)量。

圖12:不同極對(duì)的電機(jī)換向角示意圖

5.電機(jī)和扭矩生成

下圖箭頭表示相對(duì)磁力，箭頭粗細(xì)表示場(chǎng)強(qiáng)。相同的磁極互相排斥，所以轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，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(chǎng)作用示意圖

將前面討論過(guò)的定子磁場(chǎng)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(méi)有對(duì)準(zhǔn)定子磁場(chǎng)(圖中黃色虛線)，而是一直追趕定子磁場(chǎng)。

圖14:定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)示意圖

在BLDC電機(jī)中使用這種方法來(lái)改變相位有兩個(gè)原因。首先，如果讓轉(zhuǎn)子和定子的磁場(chǎng)完全對(duì)齊，此時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩將為零，不利于旋轉(zhuǎn)。其次，當(dāng)磁場(chǎng)的夾角為90度時(shí)，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(chǎng)和定子磁場(chǎng)之間的夾角示意圖

但在BLDC電機(jī)中，采用六步換向，夾角不能一直保持在90度，夾角會(huì)在60度到120度之間波動(dòng)，如下圖所示。這是因?yàn)樘菪慰刂频谋举|(zhì)比較簡(jiǎn)單。更先進(jìn)的方法，如磁場(chǎng)定向控制，可以實(shí)現(xiàn)定子和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)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(chǎng)和定子磁場(chǎng)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(guò)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(kāi)關(guān)，為提供負(fù)電流，需要接通低端開(kāi)關(guān)。

圖17:三相逆變橋示意圖

當(dāng)轉(zhuǎn)子和定子磁場(chǎng)的夾角在60-120度之間時(shí)，按上述方式進(jìn)行此操作，三相逆變器可保持電機(jī)勻速旋轉(zhuǎn)。為了改變電機(jī)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(jī)速度，可以使用脈寬調(diào)制(PWM)。