無(wú)刷電機(jī)控制基礎(chǔ)（1）——結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)電路

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2022-11-09 13:05:11 800

無(wú)刷電機(jī)是指無(wú)電刷和機(jī)械換向器的電機(jī)。

我們知道，一般的有刷電機(jī)的定子是永磁體，轉(zhuǎn)子是電磁鐵。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過電刷來(lái)自動(dòng)切換轉(zhuǎn)子電磁鐵的中的電流方向，使得轉(zhuǎn)子始終受到轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的作用，得以旋轉(zhuǎn)起來(lái)。

而無(wú)刷電機(jī)，轉(zhuǎn)子是永磁體，定子是電磁鐵，使用電子換向器器來(lái)切換電磁鐵中的電流方法。由于它沒有機(jī)械式的電刷，所以稱為無(wú)刷電機(jī)。

1）無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)

先介紹幾個(gè)概念，無(wú)刷電機(jī)的槽數(shù)和級(jí)數(shù)，槽數(shù)N指的是定子上的電磁鐵極數(shù)量，極數(shù)P指的是轉(zhuǎn)子上磁極的數(shù)量。

最簡(jiǎn)單的3N2P結(jié)構(gòu)電機(jī)，就是定子上有三個(gè)線圈極、定子上有兩個(gè)磁極的無(wú)刷電機(jī)。

3N2P型無(wú)刷電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)示意如下圖：

定子有三組線圈：A、B、C，三個(gè)線圈的一端連接到公共點(diǎn)，另一端引出三個(gè)引線a、b、c。

在其中心放上一塊作為定子的磁鐵，就形成了最簡(jiǎn)單的無(wú)刷電機(jī)結(jié)構(gòu)，如下圖：

當(dāng)然，這只是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的3槽2極電機(jī)，常用的電機(jī)為了使得轉(zhuǎn)動(dòng)更加平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩更大，會(huì)增加槽數(shù)和極數(shù)。線圈的連接方式，可以為星形，也可以是三角形連接。

同時(shí)，按機(jī)械結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子在電機(jī)的內(nèi)部還是外圍，又可以分為外轉(zhuǎn)子電機(jī)和內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)。

2）無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理

了解了無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)，那么，無(wú)刷電機(jī)是如何轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)的呢？

我們?nèi)匀灰宰詈?jiǎn)單的3N2P無(wú)刷電機(jī)為例，假設(shè)初始時(shí)，我們?cè)赼端接電源正、b端接電源負(fù)、c端懸空，則A線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)方向朝左上方，B線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)方向朝正上方，磁場(chǎng)的矢量和朝左上方，轉(zhuǎn)子磁鐵在A、B線圈的磁場(chǎng)作用下，會(huì)轉(zhuǎn)到圖示方向：

下一時(shí)刻，我們?cè)赾端接電源正、b端接電源負(fù)、而a端懸空，則磁場(chǎng)矢量和朝向右上方，轉(zhuǎn)子磁鐵會(huì)從下圖的1轉(zhuǎn)到下圖2中的位置：

同理，后續(xù)依次c+a-、a-b+、b+c-、c-a+、a+b-、b-c+循環(huán)加電，轉(zhuǎn)子磁鐵就能循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)了。每經(jīng)過6次切換電流，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一圈。

因?yàn)槿齻€(gè)線圈相隔120°，所以，不難得出兩個(gè)線圈同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，轉(zhuǎn)矩為單個(gè)線圈的√3倍。

上述驅(qū)動(dòng)方法中，每次導(dǎo)通了兩個(gè)線圈，因此稱為“二二導(dǎo)通”驅(qū)動(dòng)方式；相對(duì)地還有一種三個(gè)線圈同時(shí)導(dǎo)通的方式，稱為“三三導(dǎo)通”驅(qū)動(dòng)方式。

例如，施加電壓為 a+b-c- 的狀態(tài)時(shí)，由于三個(gè)線圈都會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，則定子磁鐵會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)到下圖位置（N極正對(duì)A線圈）：

而且，由于A線圈中的電流等于B、C電流之和，所以總的轉(zhuǎn)矩為1.5倍A線圈的轉(zhuǎn)矩。

不難分析出，“三三導(dǎo)通”的驅(qū)動(dòng)方式，也是6個(gè)步驟完成轉(zhuǎn)動(dòng)一圈。如我們依次按a+b-c-、a+b-c+、a-b-c+、a-b+c+、a-b+c-、a+b+c-循環(huán)控制線圈電壓，則定子也能轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。

3）無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路

上面我們分析了如何讓三相的無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，實(shí)質(zhì)上就是需要能對(duì)三個(gè)線圈的引出點(diǎn)分別加正、負(fù)電壓，一般可以用如下三相六臂全橋電路來(lái)實(shí)現(xiàn)：

例如，在上圖中導(dǎo)通Q1和Q4，其他都不導(dǎo)通，那么電流將從Q1流經(jīng)U相繞組，再?gòu)腣相繞組流到Q4。這樣也就完成了個(gè)線圈通電，同理，依次導(dǎo)通Q5Q4、Q5Q2、Q3Q2、Q3Q6和Q1Q6，這也就完成了“二二導(dǎo)通”的6拍工作方式。

同理三相全橋也可以實(shí)現(xiàn)“三三導(dǎo)通”的控制方式。

上述全橋電路只是原理性的介紹，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，要保證控制時(shí)，不能有同一個(gè)橋臂的上下MOS管同時(shí)導(dǎo)通，否則會(huì)燒毀器件。我們可以先關(guān)閉上橋臂的MOS，再開啟下橋臂的MOS（或者先關(guān)閉下MOS再開啟上MOS）這樣就避免了上下MOS同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)間，錯(cuò)開的這個(gè)時(shí)間差，一般稱為死區(qū)時(shí)間（dead time）。很多MCU輸出的PWM波，都可以控制死區(qū)時(shí)間的大小，方便我們?cè)O(shè)計(jì)。

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