結(jié)構(gòu)

 

在四軸飛行器或者一些航模上，都能看到這種類型的直流無刷電機(jī)，它通常有三條線，U，V，W，當(dāng)然航模上還需要配置一個(gè)電調(diào)(ESC)――作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器。

 

這里的電調(diào)往往有兩種驅(qū)動(dòng)方式，六步方波，或者FOC驅(qū)動(dòng)，下面主要對六步方波驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行分析。

 

無刷直流電機(jī)

 

直流無刷由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，是電樞繞組，轉(zhuǎn)子是永磁體；兩對極電機(jī)，分別是U1，V1，W1，U2，V2，W2。

 

2對極BLDC內(nèi)部結(jié)構(gòu)

 

電機(jī)的定子是電樞繞組在通過交變電流的時(shí)候，會產(chǎn)生磁場，電樞的材料是鐵芯，可以導(dǎo)磁，這樣可以增大磁場的強(qiáng)度，磁場的方向取決于電流的方向，具體可以根據(jù)右手螺旋定則來判斷。

 

右手螺旋定則

換相原理

 

這里我們簡單介紹一下轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的過程，即無刷直流電機(jī)的換相原理：

 

首先我們對電樞繞組施加適當(dāng)大小的電流，線圈將產(chǎn)生一個(gè)磁場，該磁場將吸引轉(zhuǎn)子的永磁體；

 

如果我們一個(gè)接一個(gè)地激活每個(gè)線圈，這樣可以產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場，由于永磁體和電磁體之間的力相互作用，轉(zhuǎn)子將在旋轉(zhuǎn)的磁場作用下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。

 

旋轉(zhuǎn)磁場

 

但是上面提到，這里是兩對極的直流無刷電機(jī)，那么為了提高電機(jī)的效率，我們可以將兩個(gè)相反的線圈組成一個(gè)繞組，這樣會產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子極相反的磁極，從而獲得雙倍的磁場的力。

 

共同通電

 

初步了解了內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和通電機(jī)制之后，我們就需要產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號去產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。

 

通常我們會在MCU中會固化一段代碼，這段代碼可以產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號；然后驅(qū)動(dòng)信號通過IPM間接驅(qū)動(dòng)六個(gè)功率開關(guān)元器件（這里可以是MOSFET），從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場。

 

電機(jī)模型可以等效成三個(gè)星型連接的電感，所以我們需要做的工作就是如何去產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號。

 

這個(gè)驅(qū)動(dòng)信號又符合什么樣的規(guī)律呢？下面我們進(jìn)一步介紹驅(qū)動(dòng)信號。

 

兩兩通電：如果我們將 A 相上拉至高電平，然后在另一側(cè)將 B 相接地，則電流將從 VCC 流過A 相，中性點(diǎn)和 B 相，最終流向地。

 

因此，只需一個(gè)電流，我們就可以產(chǎn)生了四個(gè)不同的磁極，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子移動(dòng)。

 

兩兩通電的情況

 

其實(shí)電機(jī)內(nèi)部一般可以等效成一個(gè)星型的連接方式，A，B，C三相的中性點(diǎn)連接在一起，外部通過MOSFET或者IGBT組成功率開關(guān)元器件，進(jìn)行控制，所以這里也可以說明無刷直流電機(jī)，通常有U，V，W三條線引出來。

首先規(guī)定一下我們的驅(qū)動(dòng)電路的相應(yīng)符號：

 

使用SW1和SW2作為一個(gè)上下管驅(qū)動(dòng)U，或者是a；

使用SW3和SW4作為一個(gè)上下管驅(qū)動(dòng)V，或者是b；

使用SW5和SW6作為一個(gè)上下管驅(qū)動(dòng)W，或者是c；

 

然后我們在這里規(guī)定：上管打開標(biāo)記為+，下管打開標(biāo)記為-，上下管都不開標(biāo)記為0。

 

最終讓轉(zhuǎn)子朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)時(shí)序應(yīng)該是這樣的：

 

a+，b-，c0

a+，b0，c-

a0，b+，c-

a-，b+，c0

a-，b0，c+

a0，b-，c+

 

六步方波

 

驅(qū)動(dòng)的六步方波時(shí)序正確之后，我們基本可以實(shí)現(xiàn)對無刷直流電機(jī)的開環(huán)控制驅(qū)動(dòng)了；

 

具體的驅(qū)動(dòng)時(shí)序可以簡單畫一下，對于每一相而言都需要六步的驅(qū)動(dòng)時(shí)序，然后兩相之間的相位相差120°。

 

例如A相的六步相序需要比B相超前120°，B相需要比C相超前120°，

 

驅(qū)動(dòng)信號時(shí)序

 

下面是我實(shí)際過程中測試的上管的方波驅(qū)動(dòng)信號，可以和A相，B相，C相的信號對應(yīng)起來。

 

實(shí)測波形

閉環(huán)控制

 

實(shí)現(xiàn)開環(huán)運(yùn)行之后，就要進(jìn)行閉環(huán)控制了，首先有一點(diǎn)需要說明的是，前面的六步PWM時(shí)序，并沒有根據(jù)轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置進(jìn)行磁場的切換，所以可能出現(xiàn)的情況，就是失步，這個(gè)有點(diǎn)類似步進(jìn)電機(jī)。

 

結(jié)論就是實(shí)際磁場旋轉(zhuǎn)的速度可能遠(yuǎn)快于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速度，導(dǎo)致磁場的旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)子不同步，所以就造成了失步。

 

如果這里引入轉(zhuǎn)子的位置反饋量，就可以完美的解決這個(gè)問題，所以通常會加入霍爾傳感器來檢測實(shí)際的轉(zhuǎn)子位置。

 

無刷直流電機(jī)內(nèi)的霍爾傳感器

 

轉(zhuǎn)子處于不同位置的時(shí)候霍爾傳感器會產(chǎn)生相應(yīng)的信號，并且還可以根據(jù)霍爾信號計(jì)算轉(zhuǎn)速，作為后面速度閉環(huán)的反饋值。

 

霍爾信號

 

一般來說增加了霍爾傳感器，在成本和電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度上都會大大增加，所以，這里可以通過檢測每一相的反電動(dòng)勢（Back EMF)，來進(jìn)行位置的估算以及速度的計(jì)算。

 

反電動(dòng)勢

 

無感方波的驅(qū)動(dòng)方式難點(diǎn)在于啟動(dòng)和過零點(diǎn)的檢測上，通常啟動(dòng)可以使用三段式啟動(dòng)的方式，即轉(zhuǎn)子預(yù)定位，開環(huán)強(qiáng)拖，開環(huán)切閉環(huán)，這三個(gè)過程。

 

另外還可以進(jìn)行高頻注入的方式確定轉(zhuǎn)子的初始位置，然后直接進(jìn)行啟動(dòng)，在過零點(diǎn)的檢測和換相存在一定的難度。

 

結(jié)論

 

本文簡單介紹了有刷直流電機(jī)和無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理，以及各自的優(yōu)勢。進(jìn)一步介紹了無刷直流電機(jī)的六步方波驅(qū)動(dòng)原理，簡單提及了閉環(huán)控制中一些注意點(diǎn)。