前言

系列文章將更新直流無刷電機(jī)的工作原理、仿真控制以及應(yīng)用STM32開發(fā)板與驅(qū)動(dòng)板完成對(duì)直流無刷電機(jī)的實(shí)際控制。

一、直流無刷電機(jī)簡介

直流無刷電機(jī)（Brushless Direct Current Motor，BLDC）沒有了直流有刷電機(jī)的電刷及換向器等結(jié)構(gòu)，線圈繞組不參與旋轉(zhuǎn)而是作為定子，永磁體作為轉(zhuǎn)子，通過控制線圈電流方向來改變磁場方向，從而使轉(zhuǎn)子持續(xù)旋轉(zhuǎn)。 與直流有刷電機(jī)相比直流無刷電機(jī)使用壽命長、噪音低、轉(zhuǎn)速快，但是價(jià)格較高，控制較為復(fù)雜。 下圖為直流有刷電機(jī)與直流無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖對(duì)比。

二、直流無刷電機(jī)的工作原理

通電導(dǎo)體產(chǎn)生磁場，方向由安培定則確定。 磁場具有同性相吸，異性相斥的特性，BLDC正是利用通電線圈與永磁體的相互作用原理實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，如下圖所示。

兩邊的線圈（定子）通電后，由安培定則可知兩個(gè)通電線圈將產(chǎn)生方向向右的磁場，此時(shí)中間的永磁體（轉(zhuǎn)子）會(huì)盡量使自己的內(nèi)部磁感應(yīng)線方向與外部磁感應(yīng)線方向一致，形成一個(gè)最短磁力閉合回路，N極與S極相互吸引，從而使永磁體順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。 當(dāng)永磁體旋轉(zhuǎn)至水平位置時(shí)將不受外部磁場作用力，但由于慣性作用永磁體還會(huì)繼續(xù)沿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)交換兩個(gè)線圈中的電流方向，轉(zhuǎn)子會(huì)繼續(xù)沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，周而復(fù)始使永磁體一直沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

直流無刷電機(jī)的機(jī)構(gòu)簡圖如上圖所示，定子繞組為三相星型聯(lián)結(jié)，加上轉(zhuǎn)子位置如下圖所示：

在A相加電源正極，B相加電源負(fù)極，線圈A、B將產(chǎn)生如上圖所示的磁場BA、BB，由于磁場是矢量，所以線圈BA、BB產(chǎn)生的合成磁場為B，此時(shí)轉(zhuǎn)子就會(huì)保持在圖中位置。 BLDC的運(yùn)行方式為繞組的兩兩導(dǎo)通，所以三相線圈A 、B、C的導(dǎo)通組合只有6中情況，通過合理的順序依次切換三相繞組的通電順序就可使轉(zhuǎn)子跟著磁場旋轉(zhuǎn)起來，如下圖所示：

1）A端接正電壓，B端接負(fù)電壓，C端懸空，轉(zhuǎn)子將會(huì)旋轉(zhuǎn)至上圖1位置；

2）在1）的基礎(chǔ)上，C端接正電壓，B端接負(fù)電壓，A端懸空，轉(zhuǎn)子將會(huì)從上圖1位置旋轉(zhuǎn)至圖2位置；

3）在2）的基礎(chǔ)上，C端接正電壓，A端接負(fù)電壓，B端懸空，轉(zhuǎn)子將會(huì)從上圖2位置旋轉(zhuǎn)至圖3位置；

4）在3）的基礎(chǔ)上，B端接正電壓，A端接負(fù)電壓，C端懸空，轉(zhuǎn)子將會(huì)從上圖3位置旋轉(zhuǎn)至圖4位置；

5）在4）的基礎(chǔ)上，B端接正電壓，C端接負(fù)電壓，A端懸空，轉(zhuǎn)子將會(huì)從上圖4位置旋轉(zhuǎn)至圖5位置；

6）在5）的基礎(chǔ)上，A端接正電壓，C端接負(fù)電壓，B端懸空，轉(zhuǎn)子將會(huì)從上圖5位置旋轉(zhuǎn)至圖6位置；

當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)至上圖6的位置時(shí)，重復(fù)1）的通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子將會(huì)從上圖6的位置旋轉(zhuǎn)至圖1的位置。經(jīng)過上述6個(gè)過程轉(zhuǎn)子剛好旋轉(zhuǎn)一圈，這種驅(qū)動(dòng)方法即為BLDC的6步換相控制。通過三相逆變電路可以簡單方便的實(shí)現(xiàn)BLDC的六步換相，如下圖所示：

注：上述圖片U、V、W分別對(duì)應(yīng)A、B、C三相輸入端。

上述六步換向法驅(qū)動(dòng)BLDC的前提條件是我們必須知道電機(jī)轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置，無刷直流電機(jī)一般配有霍爾傳感器用于獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子位置?；魻柶骷钆渫鈬娐房蓪?a target="_blank">檢測到的磁場的變化轉(zhuǎn)換為高低電平信號(hào)進(jìn)行輸出，以霍爾傳感器為參照物，定子旋轉(zhuǎn)時(shí)霍爾信號(hào)檢測到的磁場變化及輸出信號(hào)如下圖所示：

同無刷直流電機(jī)均勻分布的定子一樣，用于輸出3路磁場信號(hào)的3個(gè)霍爾傳感器也是均勻分布在無刷直流電機(jī)的一周，相鄰兩個(gè)傳感器的電角度相差120°。電機(jī)按一定方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，三路霍爾信號(hào)的輸出會(huì)按照六步的規(guī)律變化，如下圖所示：

通過三路霍爾信號(hào)的輸出波形就可判斷出無刷直流電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)子位置，三路霍爾信號(hào)的輸出波形同樣滿足六步一周期，再根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行三相逆變電路上下橋臂的導(dǎo)通，如下表所示：

注：不同電機(jī)的六步換相控制邏輯表不同

由上述分析可推出無刷直流電機(jī)六步換相的驅(qū)動(dòng)整體驅(qū)動(dòng)方案如下：

三、直流無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)及仿真

由上述分析的無刷直流電機(jī)的工作原理，采用六步換相法驅(qū)動(dòng)直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)（開環(huán)驅(qū)動(dòng)，速度不可調(diào)）。

3.1、Matlab/Simulink仿真

在Matlab/Simulink中搭建仿真模型如下，該模型采用六步換向法對(duì)電機(jī)進(jìn)行開環(huán)控制，轉(zhuǎn)速不可調(diào)。

注：該模型采用離散求解器沒有運(yùn)行結(jié)果，至今未查明原因

3.1.1、仿真電路分析

主電路包括：三相逆變電路和BLDC直流無刷電機(jī)兩部分，BLDC的電機(jī)額定功率設(shè)置為1kw，額定電壓500V，額定轉(zhuǎn)速3000RMP，采用恒功率負(fù)載TL設(shè)置為10/π，電機(jī)具體參數(shù)如下所示。

控制部分包括：霍爾信號(hào)處理和六步換相兩部分。 根據(jù)霍爾信號(hào)判斷轉(zhuǎn)子當(dāng)前所在的位置進(jìn)而控制三相逆變電路的兩兩導(dǎo)通，根據(jù)設(shè)定Driection值進(jìn)行電機(jī)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。 該電機(jī)的換相表如下所示。

信號(hào)監(jiān)測：監(jiān)測BLDC輸出的信號(hào)。

3.1.2、仿真結(jié)果分析

3.1.2.1、電機(jī)正轉(zhuǎn)

Direction設(shè)置為1，實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)。

電機(jī)轉(zhuǎn)速：在0.1s加入額定負(fù)載TL

Hall信號(hào)：

反電動(dòng)勢：梯形波

電機(jī)定子電流：

電磁轉(zhuǎn)矩：

轉(zhuǎn)子位置：

3.1.2.2、電機(jī)反轉(zhuǎn)

Direction設(shè)置為0，實(shí)現(xiàn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。

電機(jī)轉(zhuǎn)速：在0.1s加入額定負(fù)載TL

Hall信號(hào)：

反電動(dòng)勢：梯形波

電機(jī)定子電流：

電磁轉(zhuǎn)矩：

轉(zhuǎn)子位置：

總結(jié)

本章節(jié)分析了直流無刷電機(jī)的工作原理，并通過Matlab/Simulink采用六步換相法實(shí)現(xiàn)了直流無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)及正反轉(zhuǎn)控制，為后續(xù)章節(jié)的分析奠定基礎(chǔ)