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，它通常有三條線，U，V，W，當(dāng)然航模上還需要配置一個電調(diào)(ESC)――作為電機的驅(qū)動器。

 

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

 

無刷直流電機

 

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，分別是U1，V1，W1，U2，V2，W2。

 

2對極BLDC內(nèi)部結(jié)構(gòu)

 

電機的定子是電樞繞組在通過交變電流的時候，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)生一個磁場，該磁場將吸引轉(zhuǎn)子的永磁體；

 

如果我們一個接一個地激活每個線圈，這樣可以產(chǎn)生一個旋轉(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，那么為了提高電機的效率，我們可以將兩個相反的線圈組成一個繞組，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)和通電機制之后，我們就需要產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動信號去產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。

 

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)動信號；然后驅(qū)動信號通過IPM間接驅(qū)動六個功率開關(guān)元器件（這里可以是MOSFET），從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場。

 

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

 

這個驅(qū)動信號又符合什么樣的規(guī)律呢？下面我們進一步介紹驅(qū)動信號。

 

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，中性點和 B 相，最終流向地。

 

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

 

兩兩通電的情況

 

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

首先規(guī)定一下我們的驅(qū)動電路的相應(yīng)符號：

 

使用SW1和SW2作為一個上下管驅(qū)動U，或者是a；

使用SW3和SW4作為一個上下管驅(qū)動V，或者是b；

使用SW5和SW6作為一個上下管驅(qū)動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)子朝一個方向旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動時序應(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)動的六步方波時序正確之后，我們基本可以實現(xiàn)對無刷直流電機的開環(huán)控制驅(qū)動了；

 

具體的驅(qū)動時序可以簡單畫一下，對于每一相而言都需要六步的驅(qū)動時序，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)動信號時序

 

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

 

實測波形

閉環(huán)控制

 

實現(xiàn)開環(huán)運行之后，就要進行閉環(huán)控制了，首先有一點需要說明的是，前面的六步PWM時序，并沒有根據(jù)轉(zhuǎn)子的實際位置進行磁場的切換，所以可能出現(xiàn)的情況，就是失步，這個有點類似步進電機。

 

結(jié)論就是實際磁場旋轉(zhuǎn)的速度可能遠快于轉(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問題，所以通常會加入霍爾傳感器來檢測實際的轉(zhuǎn)子位置。

 

無刷直流電機內(nèi)的霍爾傳感器

 

轉(zhuǎn)子處于不同位置的時候霍爾傳感器會產(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勢（Back EMF)，來進行位置的估算以及速度的計算。

 

反電動勢

 

無感方波的驅(qū)動方式難點在于啟動和過零點的檢測上，通常啟動可以使用三段式啟動的方式，即轉(zhuǎn)子預(yù)定位，開環(huán)強拖，開環(huán)切閉環(huán)，這三個過程。

 

另外還可以進行高頻注入的方式確定轉(zhuǎn)子的初始位置，然后直接進行啟動，在過零點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和無刷直流電機的結(jié)構(gòu)和原理，以及各自的優(yōu)勢。進一步介紹了無刷直流電機的六步方波驅(qū)動原理，簡單提及了閉環(huán)控制中一些注意點。