前言

系列文章將更新直流無刷電機的工作原理、仿真控制以及應(yīng)用STM32開發(fā)板與驅(qū)動板完成對直流無刷電機的實際控制。

一、直流無刷電機簡介

直流無刷電機（Brushless Direct Current Motor，BLDC）沒有了直流有刷電機的電刷及換向器等結(jié)構(gòu)，線圈繞組不參與旋轉(zhuǎn)而是作為定子，永磁體作為轉(zhuǎn)子，通過控制線圈電流方向來改變磁場方向，從而使轉(zhuǎn)子持續(xù)旋轉(zhuǎn)。 與直流有刷電機相比直流無刷電機使用壽命長、噪音低、轉(zhuǎn)速快，但是價格較高，控制較為復(fù)雜。 下圖為直流有刷電機與直流無刷電機的結(jié)構(gòu)圖對比。

二、直流無刷電機的工作原理

通電導(dǎo)體產(chǎn)生磁場，方向由安培定則確定。 磁場具有同性相吸，異性相斥的特性，BLDC正是利用通電線圈與永磁體的相互作用原理實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，如下圖所示。

兩邊的線圈（定子）通電后，由安培定則可知兩個通電線圈將產(chǎn)生方向向右的磁場，此時中間的永磁體（轉(zhuǎn)子）會盡量使自己的內(nèi)部磁感應(yīng)線方向與外部磁感應(yīng)線方向一致，形成一個最短磁力閉合回路，N極與S極相互吸引，從而使永磁體順時針旋轉(zhuǎn)。 當(dāng)永磁體旋轉(zhuǎn)至水平位置時將不受外部磁場作用力，但由于慣性作用永磁體還會繼續(xù)沿順時針轉(zhuǎn)動，此時交換兩個線圈中的電流方向，轉(zhuǎn)子會繼續(xù)沿順時針方向轉(zhuǎn)動，周而復(fù)始使永磁體一直沿順時針旋轉(zhuǎn)。

直流無刷電機的機構(gòu)簡圖如上圖所示，定子繞組為三相星型聯(lián)結(jié)，加上轉(zhuǎn)子位置如下圖所示：

在A相加電源正極，B相加電源負(fù)極，線圈A、B將產(chǎn)生如上圖所示的磁場BA、BB，由于磁場是矢量，所以線圈BA、BB產(chǎn)生的合成磁場為B，此時轉(zhuǎn)子就會保持在圖中位置。 BLDC的運行方式為繞組的兩兩導(dǎo)通，所以三相線圈A 、B、C的導(dǎo)通組合只有6中情況，通過合理的順序依次切換三相繞組的通電順序就可使轉(zhuǎn)子跟著磁場旋轉(zhuǎn)起來，如下圖所示：

1）A端接正電壓，B端接負(fù)電壓，C端懸空，轉(zhuǎn)子將會旋轉(zhuǎn)至上圖1位置；

2）在1）的基礎(chǔ)上，C端接正電壓，B端接負(fù)電壓，A端懸空，轉(zhuǎn)子將會從上圖1位置旋轉(zhuǎn)至圖2位置；

3）在2）的基礎(chǔ)上，C端接正電壓，A端接負(fù)電壓，B端懸空，轉(zhuǎn)子將會從上圖2位置旋轉(zhuǎn)至圖3位置；

4）在3）的基礎(chǔ)上，B端接正電壓，A端接負(fù)電壓，C端懸空，轉(zhuǎn)子將會從上圖3位置旋轉(zhuǎn)至圖4位置；

5）在4）的基礎(chǔ)上，B端接正電壓，C端接負(fù)電壓，A端懸空，轉(zhuǎn)子將會從上圖4位置旋轉(zhuǎn)至圖5位置；

6）在5）的基礎(chǔ)上，A端接正電壓，C端接負(fù)電壓，B端懸空，轉(zhuǎn)子將會從上圖5位置旋轉(zhuǎn)至圖6位置；

當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)至上圖6的位置時，重復(fù)1）的通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子將會從上圖6的位置旋轉(zhuǎn)至圖1的位置。經(jīng)過上述6個過程轉(zhuǎn)子剛好旋轉(zhuǎn)一圈，這種驅(qū)動方法即為BLDC的6步換相控制。通過三相逆變電路可以簡單方便的實現(xiàn)BLDC的六步換相，如下圖所示：

注：上述圖片U、V、W分別對應(yīng)A、B、C三相輸入端。

上述六步換向法驅(qū)動BLDC的前提條件是我們必須知道電機轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置，無刷直流電機一般配有霍爾傳感器用于獲取電機轉(zhuǎn)子位置?；魻柶骷钆渫鈬娐房蓪z測到的磁場的變化轉(zhuǎn)換為高低電平信號進(jìn)行輸出，以霍爾傳感器為參照物，定子旋轉(zhuǎn)時霍爾信號檢測到的磁場變化及輸出信號如下圖所示：

同無刷直流電機均勻分布的定子一樣，用于輸出3路磁場信號的3個霍爾傳感器也是均勻分布在無刷直流電機的一周，相鄰兩個傳感器的電角度相差120°。電機按一定方向轉(zhuǎn)動時，三路霍爾信號的輸出會按照六步的規(guī)律變化，如下圖所示：

通過三路霍爾信號的輸出波形就可判斷出無刷直流電機當(dāng)前的轉(zhuǎn)子位置，三路霍爾信號的輸出波形同樣滿足六步一周期，再根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行三相逆變電路上下橋臂的導(dǎo)通，如下表所示：

注：不同電機的六步換相控制邏輯表不同

由上述分析可推出無刷直流電機六步換相的驅(qū)動整體驅(qū)動方案如下：

三、直流無刷電機的驅(qū)動及仿真

由上述分析的無刷直流電機的工作原理，采用六步換相法驅(qū)動直流無刷電機的轉(zhuǎn)動（開環(huán)驅(qū)動，速度不可調(diào)）。

3.1、Matlab/Simulink仿真

在Matlab/Simulink中搭建仿真模型如下，該模型采用六步換向法對電機進(jìn)行開環(huán)控制，轉(zhuǎn)速不可調(diào)。

注：該模型采用離散求解器沒有運行結(jié)果，至今未查明原因

3.1.1、仿真電路分析

主電路包括：三相逆變電路和BLDC直流無刷電機兩部分，BLDC的電機額定功率設(shè)置為1kw，額定電壓500V，額定轉(zhuǎn)速3000RMP，采用恒功率負(fù)載TL設(shè)置為10/π，電機具體參數(shù)如下所示。

控制部分包括：霍爾信號處理和六步換相兩部分。 根據(jù)霍爾信號判斷轉(zhuǎn)子當(dāng)前所在的位置進(jìn)而控制三相逆變電路的兩兩導(dǎo)通，根據(jù)設(shè)定Driection值進(jìn)行電機正反轉(zhuǎn)驅(qū)動。 該電機的換相表如下所示。

信號監(jiān)測：監(jiān)測BLDC輸出的信號。

3.1.2、仿真結(jié)果分析

3.1.2.1、電機正轉(zhuǎn)

Direction設(shè)置為1，實現(xiàn)電機正轉(zhuǎn)。

電機轉(zhuǎn)速：在0.1s加入額定負(fù)載TL

Hall信號：

反電動勢：梯形波

電機定子電流：

電磁轉(zhuǎn)矩：

轉(zhuǎn)子位置：

3.1.2.2、電機反轉(zhuǎn)

Direction設(shè)置為0，實現(xiàn)電機反轉(zhuǎn)。

電機轉(zhuǎn)速：在0.1s加入額定負(fù)載TL

Hall信號：

反電動勢：梯形波

電機定子電流：

電磁轉(zhuǎn)矩：

轉(zhuǎn)子位置：

總結(jié)

本章節(jié)分析了直流無刷電機的工作原理，并通過Matlab/Simulink采用六步換相法實現(xiàn)了直流無刷電機的驅(qū)動及正反轉(zhuǎn)控制，為后續(xù)章節(jié)的分析奠定基礎(chǔ)