無(wú)刷直流電機(jī)簡(jiǎn)介

無(wú)刷直流電機(jī)，英語(yǔ)縮寫為BLDC（Brushless Direct Current Motor）。電機(jī)的定子是線圈，或者叫繞組。轉(zhuǎn)子是永磁體，就是磁鐵 。根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置，利用單片機(jī)來(lái)控制每個(gè)線圈的通電，使線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化，從而不斷在前面勾引轉(zhuǎn)子讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，這就是無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理。下面深入一下。

無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)

首先先從最基本的線圈說(shuō)起。如下圖。可以將線圈理解成長(zhǎng)得像彈簧一樣的東西。根據(jù)初中學(xué)過(guò)的右手螺旋法則可知，當(dāng)電流從該線圈的上到下流過(guò)的時(shí)候，線圈上面的極性為N，下面的極性為S。

現(xiàn)在再弄一根這樣的線圈。然后擺弄一下位置。這樣如果電流通過(guò)的話，就能像有兩個(gè)電磁鐵一樣。

再弄一根，就可以構(gòu)成電機(jī)的三相繞組。

再加上永磁體做成的轉(zhuǎn)子，就是一個(gè)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)了。

無(wú)刷直流電機(jī)的電流換向電路

無(wú)刷直流電機(jī)之所以既只用直流電，又不用電刷，是因?yàn)橥獠坑袀€(gè)電路來(lái)專門控制它各線圈的通電。這個(gè)電流換向電路最主要的部件是FET（場(chǎng)效應(yīng)晶體管，F(xiàn)ield-EffectTransitor）?？梢园袴ET看作是開關(guān)。下圖將FET標(biāo)為AT（A相Top），AB（A相Bottom），BT，BB，CT，CB。FET的“開合”是由單片機(jī)控制的。

用霍爾傳感器確認(rèn)轉(zhuǎn)子位置

霍爾傳感器通過(guò)霍爾效應(yīng)（Hall Effect），能檢測(cè)出磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化。根據(jù)高中物理所學(xué)的左手定則（用來(lái)判斷帶電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的受力方向），在霍爾傳感器所在的回路中，磁場(chǎng)使帶電粒子的運(yùn)動(dòng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，帶電粒子“撞到”霍爾傳感器的兩邊，產(chǎn)生電位差。這時(shí)就可以用電壓計(jì)接到霍爾傳感器的兩邊，檢測(cè)出這種電壓變化，從而檢測(cè)出磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化，原理如下圖所示。

電氣角度和機(jī)械角度關(guān)系

雖然在這里插入這么個(gè)小知識(shí)有點(diǎn)怪，但我還是覺(jué)得有必要的，因?yàn)槲矣X(jué)得當(dāng)時(shí)學(xué)的時(shí)候不太好理解。在這里配合霍爾傳感器的實(shí)例說(shuō)可能好懂一點(diǎn)。機(jī)械角度就是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)過(guò)的角度。電氣角度和機(jī)械角度的關(guān)系與轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)有關(guān)。

電氣角度 = 極對(duì)數(shù) x 機(jī)械角度

因?yàn)閷?shí)際上線圈生成的磁場(chǎng)要吸引的是轉(zhuǎn)子的磁極。所以對(duì)于電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)控制來(lái)說(shuō)，我們只關(guān)心電氣角度就好。

怎樣控制無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速？

線圈兩端的電壓越大，通過(guò)線圈的電流越大，生成磁場(chǎng)越強(qiáng)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)得就越快。因?yàn)榻拥?a target="_blank">電源是直流的，所以我們通常用PWM（PulseWidthModulation，脈沖寬度調(diào)制）來(lái)控制線圈兩端電壓的大小。PWM的簡(jiǎn)單原理如下。

所以給無(wú)刷直流電機(jī)通電的時(shí)候，用單片機(jī)產(chǎn)生的PWM不斷地控制FET的開合，能使線圈反復(fù)處于通電斷電，通電斷電的狀態(tài)。通電時(shí)間長(zhǎng)（Duty大），線圈兩端的等效電壓就大，產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度就強(qiáng)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)就快；通電時(shí)間短（Duty小），線圈兩端的等效電壓就小，產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度就弱，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)就慢。

PWM波形接到FET的Gate（門極）上，控制FET的開合。假設(shè)Gate上的電壓為高時(shí)，F(xiàn)ET閉合導(dǎo)通；Gate上的電壓為低時(shí)，F(xiàn)ET斷開不通電。

而且同一相上的上下兩個(gè)FET須由反相的PWM波形控制，以防止上下兩個(gè)FET同時(shí)導(dǎo)通，造成電流不通過(guò)電機(jī)而上下相同，造成短路。

無(wú)刷直流電機(jī)的關(guān)鍵有三點(diǎn)：

線圈繞組電流的換向順序。電流的換向順序決定了由線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向，從而決定了轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向

霍爾傳感器或其它手段來(lái)估計(jì)永磁體轉(zhuǎn)子所處的位置，用于決定電流什么時(shí)候換向

使用單片機(jī)產(chǎn)生的PWM波形來(lái)控制電機(jī)繞組的通電時(shí)間，來(lái)控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的速度

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