一、概述

從簡(jiǎn)單的鉆機(jī)到復(fù)雜的工業(yè)機(jī)器人，許多機(jī)器設(shè)備都使用無(wú)刷直流電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。無(wú) 刷直流電機(jī)也稱為 BLDC 電機(jī)，相比有刷直流電機(jī)具備諸多優(yōu)勢(shì)。BLDC 電機(jī)更高效，所需的維護(hù)更少， 因而已在許多應(yīng)用中取代了有刷電機(jī)

兩類電機(jī)的運(yùn)行原理相似，均由永磁體和電磁體的磁極吸引和排斥產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。但這些電機(jī)的控 制方式卻大不相同。BLDC 需要復(fù)雜的控制器才能將單個(gè)直流電源轉(zhuǎn)換為三相電壓，而有刷電機(jī)可以通 過(guò)調(diào)節(jié)直流電壓來(lái)控制

二、直流電機(jī)的類型

1、傳統(tǒng)有刷直流電機(jī)

如下圖所示，在有刷直流電機(jī)中，直流電流通過(guò)轉(zhuǎn)子的線圈繞組，使電磁體產(chǎn)生極性。這些轉(zhuǎn)子的 磁極與固定永磁體（稱為定子）的磁極相互作用，從而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)

? 轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動(dòng)半圈之后，需要切換線圈繞組中的電流極性，以對(duì)調(diào)轉(zhuǎn)子磁極， 使電機(jī)保持旋轉(zhuǎn)狀 態(tài)

? 這種電流極性的切換被稱為換相

? 換相通過(guò)機(jī)械方式實(shí)現(xiàn)：轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的每個(gè)半圈中，電觸頭（稱為電刷）與轉(zhuǎn)子上的換相器連成一 個(gè)回路

? 這種物理接觸會(huì)導(dǎo)致電刷隨著時(shí)間推移而磨損，從而導(dǎo)致電機(jī)無(wú)法工作

2、無(wú)刷直流電機(jī)

BLDC 電機(jī)采用電子換相來(lái)代替機(jī)械換相，克服了有刷電機(jī)的上述缺陷。為了更好地理解這一點(diǎn)， 有必要進(jìn)一步了解 BLDC 電機(jī)結(jié)構(gòu)。BLDC 電機(jī)與有刷電機(jī)構(gòu)造相反，其永磁體安裝在轉(zhuǎn)子中，而線圈 繞組則成為定子

電機(jī)的磁體布局不盡相同，定子可能具有不同數(shù)量的繞組，而轉(zhuǎn)子可能具有多個(gè)極對(duì)，如下圖所示

3、仿真 BLDC 電機(jī)以觀察反電動(dòng)勢(shì)曲線

BLDC 電機(jī)和 PMSM 的結(jié)構(gòu)類似，其永磁體均置于轉(zhuǎn)子，并被定義為同步電機(jī)。在同步電機(jī)中，轉(zhuǎn) 子與定子磁場(chǎng)同步，即轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度與定子磁場(chǎng)相同

它們的主要區(qū)別在于其反電動(dòng)勢(shì)（反 EMF）的形狀。電機(jī)在旋轉(zhuǎn)時(shí)充當(dāng)發(fā)電機(jī)。也就是說(shuō)，定子 中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，與電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓反向。反電動(dòng)勢(shì)是電機(jī)的重要特征，因?yàn)槠湫螤顩Q定了對(duì)電機(jī)進(jìn)行 最優(yōu)控制所需的算法

BLDC 電機(jī)的設(shè)計(jì)使其反電動(dòng)勢(shì)呈梯形，因此一般采用梯形換相控制。BLDC 梯形反電動(dòng)勢(shì) 采用梯 形換相控制

PMSM 的反電動(dòng)勢(shì)呈正弦波形，因此采用磁場(chǎng)定向控制。PMSM 正弦反電動(dòng)勢(shì)采用磁場(chǎng)定向控制

在電機(jī)控制領(lǐng)域，PMSM 和 BLDC 這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)有時(shí)會(huì)被混用，這可能導(dǎo)致對(duì)其反電動(dòng)勢(shì)曲線的混 淆。本文將 BLDC 電機(jī)嚴(yán)格限定為具有梯形反電動(dòng)勢(shì)的電機(jī)

圖中使用 Simulink 仿真的是帶開(kāi)路端子的單極對(duì) BLDC，即線圈中沒(méi)有電流通過(guò)。如果施加扭矩帶 動(dòng)轉(zhuǎn)子，電機(jī)將充當(dāng)發(fā)電機(jī)。您可以測(cè)量 A 相電壓隨時(shí)間變化的情況，從而觀察電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)形狀。 電壓波形顯示 BLDC 電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)呈梯形，其中部分區(qū)域電壓持平

4、六步換相

為了更好地理解施加外部電壓時(shí) BLDC 電機(jī)的行為，我們將使用前面介紹的配置，其中轉(zhuǎn)子由單 極對(duì)組成，而定子由夾角為 120 度的三個(gè)線圈組成。讓電流通過(guò)線圈，給線圈（此處稱為 A 相、B 相 和 C 相）通電。轉(zhuǎn)子的北極用紅色表示，南極用藍(lán)色表示

一開(kāi)始，線圈沒(méi)有通電，轉(zhuǎn)子處于靜止?fàn)顟B(tài)。在 A 相與 C 相之間施加電壓（如下圖所示），即會(huì)沿 虛線產(chǎn)生復(fù)合磁場(chǎng)。這使轉(zhuǎn)子開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，從而與定子磁場(chǎng)對(duì)齊

線圈對(duì)共有六種通電方法，如下圖所示。每次換相后，定子磁場(chǎng)相應(yīng)旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)子，使之旋 轉(zhuǎn)至圖示位置。在下圖中，轉(zhuǎn)子角度是相對(duì)于水平軸而言的，轉(zhuǎn)子共有六種對(duì)齊方式，兩兩相差 60 度

也就是說(shuō)，如果每 60 度以正確的相位執(zhí)行一次換相，電機(jī)將連續(xù)旋轉(zhuǎn)，如下圖所示。此類控制被 稱為六步換相或梯形控制

此類電機(jī)可以包含更多極對(duì)，但這就要求更為頻繁地?fù)Q相。為了在合適的時(shí)機(jī)以正確的相位執(zhí)行電 機(jī)換相，控制器需要時(shí)刻掌握轉(zhuǎn)子的確切位置，對(duì)此通常使用霍爾傳感器進(jìn)行測(cè)量

5、電機(jī)和扭矩產(chǎn)生

下圖中箭頭表示相對(duì)磁力，箭頭粗細(xì)表示場(chǎng)強(qiáng)。相同磁極相互排斥，從而使轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。同時(shí)， 相反磁極相互吸引，從而在同一方向增加扭矩

轉(zhuǎn)子完成 60 度旋轉(zhuǎn)后，發(fā)生下一次換相

將先前討論的定子磁場(chǎng)疊加到上圖中，可以很明顯地看出，在這種換相方式中，轉(zhuǎn)子從不對(duì)齊定子 磁場(chǎng)（圖中的黃色虛線），而是一直在追趕定子磁場(chǎng)

在 BLDC 電機(jī)中采用這種方式換相有兩個(gè)原因。首先，如果允許轉(zhuǎn)子和定子磁場(chǎng)完全對(duì)齊，此時(shí)產(chǎn) 生的扭矩為零，這不利于旋轉(zhuǎn)。其次，磁場(chǎng)夾角為 90 度時(shí)可產(chǎn)生最大扭矩。因此，目標(biāo)是使該夾角接 近 90 度

但在 BLDC 電機(jī)中，采用六步換相無(wú)法讓夾角始終保持 90 度，夾角將在 60 度和 120 度之間波動(dòng)， 如下圖所示。 這是因?yàn)樘菪慰刂频男再|(zhì)相對(duì)簡(jiǎn)單。磁場(chǎng)定向控制等更先進(jìn)的方法可實(shí)現(xiàn)定子與轉(zhuǎn)子磁 場(chǎng)間 90 度夾角，以此產(chǎn)生更大的扭矩，該方法常用于之前提到的 PMSM 控制

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