BLDC控制要點(diǎn)

1、BLDC電機(jī)控制算法無刷電機(jī)屬于自換流型（自我方向樽攢9 ,因此控制起來更加復(fù)雜。BLDC電機(jī)控制要求了解電機(jī)進(jìn)行整流轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)子位置和機(jī)制。對(duì)于閉環(huán)速度控制，有兩個(gè)附加要求，即對(duì)于轉(zhuǎn)子速度/或電機(jī)電流以及PWM信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，以 控制電機(jī)速度功率。BLDC電機(jī)可以根據(jù)應(yīng)用要求采用邊排列或中心排列 PWM信號(hào)。大多數(shù)應(yīng)用僅 要求速度變化操作，將采用6個(gè)獨(dú)立的邊排列PWM信號(hào)。這就提供了最高的分 辨率。如果應(yīng)用要求服務(wù)器定位、能耗制動(dòng)或動(dòng)力倒轉(zhuǎn)，推薦使用補(bǔ)充的中心排 列PWM信號(hào)。為了感應(yīng)轉(zhuǎn)子位置，BLDC電機(jī)采用霍爾效應(yīng)傳感器來提供絕對(duì)定位感應(yīng)。這就 導(dǎo)致了更多線的使用和更高的成本。無傳感器BLD

2、C控制省去了對(duì)于霍爾傳感器 的需要，而是采用電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)（電動(dòng)勢(shì)）來預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子位置。無傳感器控制對(duì) 于像風(fēng)扇和泵這樣的低成本變速應(yīng)用至關(guān)重要。在采有BLDC電機(jī)時(shí)，冰箱和空調(diào)壓縮機(jī)也需要無傳感器控制。死區(qū)的插入和補(bǔ)充許多不同的控制算法都被用以提供對(duì)于 BLDC電機(jī)的控制。典型地，將功率晶體 管用作線性穩(wěn)壓器來控制電機(jī)電壓。當(dāng)驅(qū)動(dòng)高功率電機(jī)時(shí)，這種方法并不實(shí)用。 高功率電機(jī)必須采用PWM控制，并要求一個(gè)微控制器來提供起動(dòng)和控制功能。 控制算法必須提供下列三項(xiàng)功能：用于控制電機(jī)速度的PWM電壓用于對(duì)電機(jī)進(jìn)整流換向的機(jī)制利用反電動(dòng)勢(shì)或霍爾傳感器來預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子位置的方法脈沖寬度調(diào)制僅用于將可變電壓應(yīng)用到電

3、機(jī)繞組。有效電壓與PWM占空度成正比。當(dāng)?shù)玫竭m當(dāng)?shù)恼鲹Q向時(shí)，BLDC的扭矩速度特性與一下直流電機(jī)相同?？?以用可變電壓來控制電機(jī)的速度和可變轉(zhuǎn)矩。功率晶體管的換向?qū)崿F(xiàn)了定子中的適當(dāng)繞組，可根據(jù)轉(zhuǎn)子位置生成最佳的轉(zhuǎn)矩。 在一個(gè)BLDC電機(jī)中，MCU必須知道轉(zhuǎn)子的位置并能夠在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間進(jìn)行整流換 向。BLDC電機(jī)的梯形整流換向?qū)τ谥绷鳠o刷電機(jī)的最簡(jiǎn)單的方法之一是采用所謂的 梯形整流換向。T8中T CMtrtWhftM圖1 ：用于BLDC電機(jī)的睇龍控制器的簡(jiǎn)化椎圖在這個(gè)原理圖中，每一次要通過一對(duì)電機(jī)終端來控制電流，而第三個(gè)電機(jī)終 端總是與電源電子性斷開。嵌入大電機(jī)中的三種霍爾器件用于提供數(shù)字信號(hào)，

4、它 們?cè)?0度的扇形區(qū)內(nèi)測(cè)量轉(zhuǎn)子位置，并在電機(jī)控制器上提供這些信息。由于每 次兩個(gè)繞組上的電流量相等，而第三個(gè)繞組上的電流為零，這種方法僅能產(chǎn)生具 有六個(gè)方向共中之一的電流空間矢量。 隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)向，電機(jī)終端的電流在每轉(zhuǎn) 60度時(shí)，電開關(guān)一次（整流換向），因此電流空間矢量總是在90度相移的最接近30度的位置IcACommutation SequenceTorque 、，圖2 ：彝鹿控器：甄動(dòng)波密和整道處的轉(zhuǎn)矩於因此每個(gè)繞組的電流波型為梯形， 從零開始到正電流再到零然后再到負(fù)電 流。這就產(chǎn)生了電流空間矢量，當(dāng)它隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)在6個(gè)不同的方向上進(jìn)行步 升時(shí)，它將接近平衡旋轉(zhuǎn)在像空調(diào)和冰霜這樣的電機(jī)

5、應(yīng)用中，采用霍爾傳感器并不是一個(gè)不變的選 擇。在非聯(lián)繞組中感應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)傳感器可以用來取得相同的結(jié)果。這種梯形驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)因其控制 電路的簡(jiǎn)易性而非常普通,但是它們?cè)谡鬟^ 程中卻要遭遇轉(zhuǎn)矩紋波問題。BDLC電機(jī)的正弦整流換向梯形整流換向還不足以為提供平衡、精準(zhǔn)的無刷直流電機(jī)控制。這主要是 因?yàn)樵谝粋€(gè)三相無刷電機(jī)（帶有一個(gè)正統(tǒng)波反電動(dòng)勢(shì)）中所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩由下列等 式來定義：轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩二 Kt A Sin(o) + Is Sin(o+120) * 工 5m32初八其中一。為轉(zhuǎn)軸的星感慝,Kt為電機(jī)的轉(zhuǎn)硬常恭'卜b和卜為相垃電而如果相位電流是正弦的二工二LSino; 4二I；Sin (H20o):

6、 A=I-Sin什24。小將得到，a轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩=L 5心碗f (一個(gè).地立于轉(zhuǎn)軸角度的常數(shù))一正弦整流換向無刷電機(jī)控制器努力驅(qū)動(dòng)三個(gè)電機(jī)繞組， 其三路電流隨著電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) 而平穩(wěn)的進(jìn)行正弦變化。選擇這些電流的相關(guān)相位，這樣它們將會(huì)產(chǎn)生平穩(wěn)的轉(zhuǎn) 子電流空間矢量，方向是與轉(zhuǎn)子正交的方向，并具有不變量。這就消除了與北形 轉(zhuǎn)向相關(guān)的轉(zhuǎn)矩紋波和轉(zhuǎn)向脈沖。為了隨著電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，生成電機(jī)電流的平穩(wěn)的正弦波調(diào)制， 就要求對(duì)于轉(zhuǎn)子位置 有一個(gè)精確有測(cè)量。霍爾器件僅提供了對(duì)于轉(zhuǎn)子位置的粗略計(jì)算， 還不足以達(dá)到 目的要求。基于這個(gè)原因，就要求從編碼器或相似器件發(fā)出角反饋。 3t Bine電機(jī)正弦波控制器的新化轉(zhuǎn)虹由于繞組電

7、流必須結(jié)合產(chǎn)生一個(gè)平穩(wěn)的常量轉(zhuǎn)子電流空間矢量，而且定子繞組的每個(gè)定位相距120度角，因此每個(gè)線組的電流必須是正弦的而且相移為 120度。采用編碼器中的位置信息來對(duì)兩個(gè)正弦波進(jìn)行合成，兩個(gè)間的相移為 120度。然后，將這些信號(hào)乘以轉(zhuǎn)矩命令，因此正弦波的振幅與所需要的轉(zhuǎn)矩成 正比。結(jié)果，兩個(gè)正弦波電流命令得到恰當(dāng)?shù)亩ㄏ啵?從而在正交方向產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)定 子電流空間矢量。正弦電流命令信號(hào)輸出一對(duì)在兩個(gè)適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)繞組中調(diào)制電流的P-I控制器。第三個(gè)轉(zhuǎn)子繞組中的電流是受控繞組電流的負(fù)和，因此不能被分別控制。每個(gè)P-I控制器的輸出被送到一個(gè) PWM調(diào)制器，然后送到輸出橋和兩個(gè)電機(jī)終端。 應(yīng)用到第三個(gè)電機(jī)終端的電

8、壓源于應(yīng)用到前兩個(gè)線組的信號(hào)的負(fù)數(shù)和，適當(dāng)用于分別間隔120度的三個(gè)正弦電壓。結(jié)果，實(shí)際輸出電流波型精確的跟蹤正弦電流命令信號(hào)，所得電流空間矢量平穩(wěn) 轉(zhuǎn)動(dòng)，在量上得以穩(wěn)定并以所需的方向定位。一般通過梯形整流轉(zhuǎn)向，不能達(dá)到穩(wěn)定控制的正弦整流轉(zhuǎn)向結(jié)果。 然而，由于其 在低電機(jī)速度下效率很高，在高電機(jī)速度下將會(huì)分開。這是由于速度提高，電流 回流控制器必須跟蹤一個(gè)增加頻率的正弦信號(hào)。同時(shí)，它們必須克服隨著速度提 高在振幅和頻率下增加的電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)。由于P-I控制器具有有限增益和頻率響應(yīng)，對(duì)于電流控制回路的時(shí)間變量 干擾將引起相位滯后和電機(jī)電流中的增益誤差， 速度越高，誤差越大。這將干擾 電流空間矢量

9、相對(duì)于轉(zhuǎn)子的方向，從而引起與正交方向產(chǎn)生位移。當(dāng)產(chǎn)生這種情況時(shí)，通過一定量的電流可以產(chǎn)生較小的轉(zhuǎn)矩， 因此需要更多的電 流來保持轉(zhuǎn)矩，效率降低。隨著速度的增加，這種降低將會(huì)延續(xù)。在某種程度上， 電流的相位位移超過90度。當(dāng)產(chǎn)生這種情況時(shí)，轉(zhuǎn)矩減至為零。通過正弦的結(jié) 合，上面這點(diǎn)的速度導(dǎo)致了負(fù)轉(zhuǎn)矩，因此也就無法實(shí)現(xiàn)?？刂品绞教蓊I(lǐng)驅(qū)動(dòng) 控制諭入捕提，中劃，三相電機(jī)控制定 時(shí)器正弦波盟動(dòng)控制飄人捕捉,中斷,三相電機(jī)控制定 時(shí)器簡(jiǎn)單矢量控S5人捕捉中斷，三相電機(jī)控制的帶死區(qū)PW1M定時(shí)器9LDC 電機(jī)控制矢量短制(FOC)aSSteMCU+MAC.高速AW換器輸 入捕捉,中斷,三相電機(jī)帶控常的死區(qū) P

10、VW定時(shí)耨無傳感器梯*波3勵(lì)控 制輸入捕捉-高速川口轉(zhuǎn)投霞*中斷三相 電機(jī)控制定時(shí)器無傳感器關(guān)量控制高性能MCU/ WAC.高速ND轉(zhuǎn)強(qiáng)器，中 鼾，三相電機(jī)帶拄制的死區(qū)PVVM定時(shí)器MCU要求無刷直流電機(jī)原理1 .簡(jiǎn)介本文要介紹電機(jī)種類中發(fā)展快速且應(yīng)用廣泛的無刷直流電機(jī)（以下簡(jiǎn)稱BLDC）。BLDC被廣泛的用于日常生活用具、汽車工業(yè)、航空、消費(fèi) 電工、醫(yī)學(xué)電子、工 業(yè)自動(dòng)化等裝置和儀表。顧名思義，BLDC不使用機(jī)械結(jié)構(gòu)白而電刷而直接使 用電子換向器，在使用中BLDC相比有刷電機(jī)有許多的優(yōu)點(diǎn)，比如：能獲得更好的扭矩轉(zhuǎn)速特性；高速動(dòng)態(tài)響應(yīng)；高效率；長(zhǎng)壽命；低噪聲；高轉(zhuǎn)速。另外，BLDC更優(yōu)的扭矩和

11、外形尺寸比使得它更適合用于對(duì)電機(jī)自身重量和大小 比較敏感的場(chǎng)合。2 . BLDC結(jié)構(gòu)和基本工作原理BLDC屬于同步電機(jī)的一種，這就意味著它的定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng) 是同頻率的，所以BLDC并不會(huì)產(chǎn)生普通感應(yīng)電機(jī)的頻差現(xiàn)象。BLDC中又有單相、2相和3相電機(jī)的區(qū)別，相類型的不同決定其定子線圈繞組的多少。在這里 我們將集中討論的是應(yīng)用最為 廣泛的3相BLDC。2.1 定子BLDC定子是由許多硅鋼片經(jīng)過疊壓和軸向沖壓而成，每個(gè)沖槽內(nèi)都有一定的線 圈組成了繞組，可以參見圖2.1.1。從傳統(tǒng)意義上講，BLDC的定子和感應(yīng)電機(jī)的 定子有點(diǎn)類似，不過在定子繞組的分布上有一定的差別。大多數(shù)的BLDC定

12、子有3個(gè)呈星行排列的繞組，每 個(gè)繞組又由許多內(nèi)部結(jié)合的鋼片按照一定的方式組成，偶數(shù)個(gè)繞組分布在定子的周圍組成了偶數(shù)個(gè)磁極。圖2.tl BLDC內(nèi)部結(jié)構(gòu)BLDC的定子繞組可以分為梯形和正弦兩種繞組，它們的根本區(qū)別在于由于繞組 的不同連接方式使它們產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)（反電動(dòng)勢(shì)的相關(guān)介紹請(qǐng)參加 EMF一節(jié)） 不同，分別呈現(xiàn)梯形和正弦波形，故用此命名了。梯形和正弦繞組產(chǎn)生的反電動(dòng) 勢(shì)的波形圖如圖2.1.2和圖2.1.3所示。Phase A-BPhase B-CPhase C-A圖2.12梯形繞組的反電動(dòng)勢(shì)波形1Phase A-BPhase B-CPhase C-A2.13 正弦繞組的反電動(dòng)勢(shì)波形06012

13、0另外還需要對(duì)反電動(dòng)勢(shì)的一點(diǎn)說明就是繞組的不同其相電流也是呈現(xiàn)梯形和正 弦波形，可想而知正弦繞組由于波形平滑所以運(yùn)行起來相對(duì)梯形繞組來說就更平 穩(wěn)一些。但是，正弦型繞組由于有更多繞組使得其在銅線的使用上就相對(duì)梯形繞 組要多(? ) O平時(shí)由于應(yīng)用電壓的不同，我們可以根據(jù)需要選擇不同電壓范圍 的無刷電機(jī)。48V及其以下應(yīng)用電壓的電機(jī)可以用在汽車、機(jī)器人、小型機(jī)械臂 等方面。100V及其以上電壓范圍的電機(jī)可以用在專用器具、自動(dòng)控制以及工業(yè) 生產(chǎn)領(lǐng)域。2.2 轉(zhuǎn)子定子是2至8對(duì)永磁體按照N極和S極交替排列在轉(zhuǎn)子周圍構(gòu)成的(內(nèi)轉(zhuǎn)子型)， 如果是外轉(zhuǎn)子型BLDC那么就是貼在轉(zhuǎn)子內(nèi)壁咯。如圖 2.2.1所

14、示；CircoLtt cc<e k.h 史方 on the p«npheryCircular core “Mh redaoguiafm agri。值 0 mbeddenn the fot&rCircuLar core，由何 rectaf>g'Ulsr magrHets maided in匕由w ro»r core圖2.2.1轉(zhuǎn)子磁極排布2.3 霍爾傳感器與有刷直流電機(jī)不同，無刷直流電機(jī)使用電子方式換向。要使 BLDC轉(zhuǎn)起來，必 須要按照一定的順序給定子通電，那么我們就需要知道轉(zhuǎn)子的位置以便按照通電 次序給相應(yīng)的定子線圈通電。定子的位置是由嵌入到定

15、子的霍爾傳感器感知的。通常會(huì)安排3個(gè)霍爾傳感器在轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)路徑周圍。 無論何時(shí)，只要轉(zhuǎn)子的磁極 掠過霍爾元件時(shí),根據(jù)轉(zhuǎn)子當(dāng)前磁極的極性霍爾元件會(huì)輸出對(duì)應(yīng)的高或低電平， 這樣只要根據(jù)3個(gè)霍爾元件產(chǎn)生的電平的時(shí)序就可以判斷當(dāng)前轉(zhuǎn)子的位置，并相應(yīng)的對(duì)定子繞組進(jìn)行通電。霍爾效應(yīng)：當(dāng)通電導(dǎo)體處于磁場(chǎng)中，由于磁場(chǎng)的作用 力使得導(dǎo)體內(nèi)的電荷會(huì)向?qū)w的一側(cè)聚集， 當(dāng)薄平板通電導(dǎo)體處于磁場(chǎng)中時(shí)這種 效應(yīng)更為明顯，這樣一側(cè)聚集了電荷的導(dǎo)體會(huì)抵消磁場(chǎng)的這種影響，由于電荷在導(dǎo)體一側(cè)的聚集，從而使得導(dǎo)體兩側(cè)產(chǎn)生電壓，這種現(xiàn)象就稱為霍爾效應(yīng)，E.H霍爾在1879年發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，故以此命名。Accessory Shaft

16、Han Sensor MagnetsStator Wtndin0s. Rotor Magnet S圖2 3.1霍爾傳感器測(cè)原理Driving End Of ttw Shdft圖2.3.1顯示了 NS磁極交替排列的轉(zhuǎn)子的橫截面?；魻栐卜旁陔姍C(jī)的固定 位置，將霍爾元件安放到電機(jī)的定子是比較復(fù)雜的，因?yàn)槿绻卜艜r(shí)位置沒有和轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)相切那么就可能導(dǎo)致霍爾元件的測(cè)量值不能準(zhǔn)確的反應(yīng)轉(zhuǎn)子當(dāng)前的 位置，鑒于以上原因，為了簡(jiǎn)化霍爾元件的安裝，通常在電機(jī)的轉(zhuǎn)子上安裝一顆 冗余的磁體，這個(gè)磁體專門用來感應(yīng)霍爾元件，這樣就能起到和轉(zhuǎn)子磁體感應(yīng)的 相同效果，霍爾元件一般按照?qǐng)A周安放在印刷 電路板上并配備了調(diào)節(jié)蓋

17、，這樣用 戶就可以根據(jù)磁場(chǎng)的方向非常方便的調(diào)節(jié)霍爾元件的位置以便使它工作在最佳 狀態(tài)。霍爾元件位置的安排上，有 60°夾角和120°夾角兩種?；谶@種擺放形 式，BLDC的電流換向順序由制造廠商制定，當(dāng)我們控制電機(jī)的時(shí)候就需要用到 這種換向順序。注意：霍爾元件的電壓范圍從 4V到24V不等，電流范圍從5mA到15mA不等， 所以在考慮控制器時(shí)要考慮到霍爾元件的電流和電壓要求。 另外，霍爾元件輸出 集電極開路，使用時(shí)需要接上拉電阻。2.4 操作原理每一次換向都會(huì)有一組繞組處于正向通電； 第二組反相通電；第三組不通電。轉(zhuǎn) 子永磁體的磁場(chǎng)和定子鋼片產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用就產(chǎn)生了轉(zhuǎn)矩，

18、 理論上，當(dāng)這兩 個(gè)磁場(chǎng)夾角為90°時(shí)會(huì)產(chǎn)生最大的轉(zhuǎn)矩，當(dāng)這兩個(gè)磁場(chǎng)重合時(shí)轉(zhuǎn)矩變?yōu)?0,為了 使轉(zhuǎn)子不停的轉(zhuǎn)動(dòng)，那么就需要按順序改變定子的磁場(chǎng)，就像轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)一直在追趕定子的磁場(chǎng)一樣。 典型 的六步電流換向”順序圖展示了定子內(nèi)繞組的通電次序。2.5 轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速特性圖2.5.1轉(zhuǎn)矩和速度特性顯示了轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速特性。BLDC 一共有兩種轉(zhuǎn)矩度量：最大轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候表現(xiàn)出來的就是額定轉(zhuǎn)矩。在無刷電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速之前，轉(zhuǎn)矩不變，無刷電機(jī)最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的 150%，但是超速時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩會(huì)相應(yīng)下降。在實(shí)際的應(yīng)用中，我們常常會(huì)讓帶負(fù)載的電機(jī)啟動(dòng)、 停轉(zhuǎn)和逆向運(yùn) 行，此

19、時(shí)就需要比額定轉(zhuǎn)矩更大的轉(zhuǎn)矩。特別是當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止和反方向加速時(shí)啟動(dòng) 電機(jī)，這個(gè)時(shí)候就需要更大的轉(zhuǎn)矩來抵消負(fù)載和轉(zhuǎn)子自身的慣性，這個(gè)時(shí)候就需要提供最大的轉(zhuǎn)矩一直到電機(jī)進(jìn)入正向轉(zhuǎn)矩曲線階段Peait TbrgueTorqueRa：ed SpeedMaxifnum Speed圖2.5.1轉(zhuǎn)矩和速度特性IntermittentTorque ZoneRaied Torqi>e2.6 BLDC和其他類型電機(jī)比較表2.6.1無單和有別的比技特性直流無刷電機(jī)直流有刷電機(jī)換向器崛于索爾H隔照的電子換向器有刷機(jī)械換向裾壽命較長(zhǎng)較由扭胸轉(zhuǎn)速比平怛一頓定魚轅卜明在所有利速下正常 工作舟轉(zhuǎn)速時(shí)電刷將影響其有 效輸出

20、轉(zhuǎn)題效率高效率適中輸出功率/外形尺寸比高一好的溫度特性.由于其線圈是在定 子上，所以有很好的散熱特性中等或低一由于電樞產(chǎn)生 的熱量在電機(jī)氣隙里散熱 不良導(dǎo)致箕功率/尺寸比 下降轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低一由干轉(zhuǎn)子上的永磁體使行其行R好 動(dòng)態(tài)特性高一高的將動(dòng)慣量導(dǎo)致其 動(dòng)態(tài)特性降低轉(zhuǎn)速高一不受電刷等機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制低一受電刷等機(jī)械結(jié)構(gòu)的 影響電磁噪聲低電刷上的電弧會(huì)影響臨近 的設(shè)備成本高一生耍是因?yàn)楣厕D(zhuǎn)r內(nèi)嵌永磁體導(dǎo)致 成本增加低控制器成本更雜且較貴簡(jiǎn)單而便宜控制辦要求需要控制費(fèi)保持其運(yùn)作,并可以調(diào)速定速時(shí)不需要控制器,如 果需要調(diào)速則就需暨控制 器表2.6.2無刷和感應(yīng)電機(jī)的比較特性直流無刷電機(jī)交流感應(yīng)電機(jī)扭速

21、/轉(zhuǎn)矩特性平坦一額定負(fù)裁F可在所有轉(zhuǎn)速下正常工作IE線性的一低力矩低轉(zhuǎn)速攤出/尺寸比高一永磁體處于轉(zhuǎn)子上使得4狹得更 高的檢出和尺寸特性中等一定子和轉(zhuǎn)子都有繞 組，輸出/尺寸比BLDC低轉(zhuǎn)動(dòng)慣置低TU有良好的動(dòng)態(tài)特性而一較差的動(dòng)態(tài)特性啟動(dòng)電流額定一無須特殊的啟動(dòng)電路約7倍于額定電流一啟動(dòng)電 路的電流需要特別注意.常 用有星形三角啟動(dòng)器控制SS需求需要控制器保持其運(yùn)作，并可以調(diào)速定速時(shí)不需要控制器,如果 需要:調(diào)速則就需要控制器頻差不會(huì)產(chǎn)生頻差轉(zhuǎn)頻率會(huì)比定子的頻率 慢，隨著負(fù)我的增加，頻差 會(huì)更嚴(yán)承3 .換向時(shí)序圖2.6.1顯示了霍爾元件的輸出、反電動(dòng)勢(shì)和相電流的關(guān)系。圖 2.6.2顯示了根 據(jù)

22、霍爾元件輸出的波形應(yīng)該給繞組通電的時(shí)序。圖2.6.1中的通電序號(hào)對(duì)應(yīng)的就是圖2.6.2中的序號(hào)，每隔60°夾角其中一個(gè)霍爾元件就會(huì)改變一次其輸出特性， 那么一圈（通電周期）下來就會(huì)有 6次變化，同時(shí)相電流也會(huì)每 60°改變一次。 但是，每完成一個(gè)通電周期并不會(huì)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一周，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一周需要的通電周期數(shù)目和轉(zhuǎn)子上的磁極的對(duì)數(shù)相關(guān)，轉(zhuǎn)子有多少對(duì)磁極那么就需要多少個(gè)通電周 期。圖2.6.3是關(guān)于使用MCU控制無刷電機(jī)的原理圖，其中微控制器PIC18FXX31 控制Q0-Q5組成的驅(qū)動(dòng)電路按照一定的時(shí)序?yàn)?BLDC通電，根據(jù)電機(jī)電壓和電 流的不同可以選擇不同的驅(qū)動(dòng)電路，如MOSF

23、ET、IGBT或者直接使用雙極性三極管。表2.6.1和表2.6.2表示的是基于霍爾輸入時(shí)在 A、B、C繞組上的通電時(shí) 序。表2.6.1是轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)序，表 2.6.2是轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)序。上 面兩個(gè)表格顯示的是當(dāng)霍爾元件呈 60°排列時(shí)的驅(qū)動(dòng)波形，前面也提到霍爾元件 還可以呈120。的夾角排列，那么這個(gè)時(shí)候就需要相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)波形，這些波形都 可以在電機(jī)生產(chǎn)商的資料里找到，應(yīng)用時(shí)需要嚴(yán)格遵守通電時(shí)序。AHallSensor BOutputC1 Elec ical Cycle1 Electrical Cycle5400u0Back EMFSequence NumberOutputT

24、orquePhase Current國(guó)2.6.1 BLDC運(yùn)行時(shí)年AAREFRUNSTOP_vPWM5FW RE】PIC1SFXX31,IGBTPWM2P/JM0Dri/e-PWM1PWM3PWM5PWMCHa AHa!l B圉2,6.3無刷電機(jī)的第動(dòng)原理圖8PWM2如圖2.6.3所示，假設(shè)驅(qū)動(dòng)電壓和電機(jī)運(yùn)行時(shí)的電壓相等（包括驅(qū)動(dòng)電路本身的 損耗），當(dāng)PWMx按照給定的時(shí)序開和關(guān)時(shí)無刷電機(jī)將會(huì)以額定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。 為了調(diào)速，我們使用遠(yuǎn)高于電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的 PWM波驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通常我們需要至 少10倍于電機(jī)最高頻率的PWM驅(qū)動(dòng)波形。當(dāng)PWM驅(qū)動(dòng)波形的占空比變化時(shí)， 使得其在定子上的有效電壓變化， 這就

25、實(shí)現(xiàn)了無刷電機(jī)的調(diào)速，另外，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電 源電壓高于電機(jī)本身的額定電壓時(shí)，我們可以調(diào)節(jié) PWM的占空比來使得驅(qū)動(dòng)電 源電壓適合電機(jī)的額定驅(qū)動(dòng)電壓。 可想而知，我們可以使用同一個(gè)控制器去掛接 不同額定電壓的電機(jī)，此時(shí)只需要用控制器改變一下PWM的占空比就行了。另外還有一種控制方式：當(dāng)微控制器的 PWM輸出不夠用時(shí)，可以在整個(gè)通電時(shí)序 內(nèi)將上臂一直導(dǎo)通（即上臂不使用 PWM）而下臂使用PWM驅(qū)動(dòng)。圖2.6.3中連 接數(shù)字和模擬轉(zhuǎn)換通道的分壓電路提供了一定速度的參考電壓，有了這個(gè)電壓， 我們就可以計(jì)算PWM波形的有效值。a 2.6,11順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)序時(shí)序塞爾元件輸入PWM遁形相電漉ABcABC100Qi

26、Q4LX、OFFDO2 一000QiQ2 jX：+IK-OFF3100Q5Q2OFFDC-DC+4 110Q5QOOFFDC+51iIQ3QODC-DC+川F60itQ3Q4OFFDC+DC-表26.2逆射針韓動(dòng)時(shí)序時(shí)序霍爾元件輸入PWM波樞相電流ABCABC101Q5Q2OFFDC-DC+211Q1Q2DC+DC-OFF310Q1Q4DC+OFFDC-400Q3Q4OFFDC+DC-5000Q3Q0DC-DC+OFF6一 一001Q5Q0DC-OFF3.1 閉環(huán)控制我們可以通過閉環(huán)測(cè)量當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速而達(dá)到控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速的目的，我們通過計(jì)算期望轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的誤差， 然后使用PID算法去調(diào)節(jié)P

27、WM的占空比以達(dá) 到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。對(duì)于低成本，低轉(zhuǎn)速的應(yīng)用場(chǎng)合，可以使用霍爾傳感器 獲得轉(zhuǎn)速反饋。利用PIC18FXX31微控制器本身的一個(gè)定時(shí)器去測(cè)量?jī)蓚€(gè)霍爾元 件輸出信號(hào)，然后根據(jù)這個(gè)信號(hào)得出實(shí)際的轉(zhuǎn)速。 在高轉(zhuǎn)速應(yīng)用場(chǎng)合，我們可以 在電機(jī)上裝上光電編碼器，可以利用其輸出相差90。的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的測(cè) 量。通常，光電編碼器還可以輸出 PPR信號(hào)，使得可以進(jìn)行較精確的轉(zhuǎn)子定位， 編碼器的編碼刻度可以上百甚至上千，編碼刻度越多，精度越高。4 .反電動(dòng)勢(shì)(BACK EMF )根據(jù)楞次定律，當(dāng)BLDC轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)其繞組會(huì)產(chǎn)生與繞組兩端電壓相反方向的反向電 壓，這就是反電動(dòng)勢(shì)(BACK EMF

28、。記住，反電動(dòng)勢(shì)和繞組所加電壓是反向的。 決定反電動(dòng)勢(shì)的主要因素有以下幾點(diǎn)：轉(zhuǎn)子的角速度；轉(zhuǎn)子永磁體的磁場(chǎng)強(qiáng)度；每個(gè)定子繞組纏繞的線圈數(shù)量。計(jì)算反電動(dòng)勢(shì)的公式：Back EMF = (E) 8NlBw其中：N為每相繞組的線圈數(shù)量L轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)度B為轉(zhuǎn)子的磁通密度W為轉(zhuǎn)子的角速度當(dāng)電機(jī)一旦做好，那么其繞組的線圈數(shù)量和永磁體的磁通密度就定了， 由公式可 知，唯一決定反電動(dòng)勢(shì)的量就是轉(zhuǎn)子的角速度 (也可以換算為線速度)且角速度 和反電動(dòng)勢(shì)成正比。廠家一般會(huì)提供電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)常量， 通過它我們可以用來 估計(jì)某一轉(zhuǎn)速下反電動(dòng)勢(shì)的大小。 繞組上的電壓等于供電電壓減去反電動(dòng)勢(shì)， 廠 家在設(shè)計(jì)電機(jī)的時(shí)候會(huì)選取適當(dāng)

29、的反電動(dòng)勢(shì)常量以便電機(jī)工作時(shí)有足夠的電壓差可以使電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速并具有足夠的轉(zhuǎn)矩。 當(dāng)電機(jī)超過額定轉(zhuǎn)速工作時(shí)，反 電動(dòng)勢(shì)會(huì)持續(xù)上升，這時(shí)加在電機(jī)繞組間的有效電壓會(huì)下降， 電流會(huì)減少，扭矩 會(huì)下降，當(dāng)反電動(dòng)勢(shì)和供電電壓相等的時(shí)候，電流降為 0,扭矩為0,電機(jī)達(dá)到 極限轉(zhuǎn)速。5 .無傳感器BLDC控制目前為止，我們所討論的都是基于霍爾元件獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的換向器控制方式，其實(shí)可以直接通過測(cè)量電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)而知道轉(zhuǎn)子的位置，在圖 2.6.1中已經(jīng) 可以比較清晰的看出反電動(dòng)勢(shì)和霍爾元件輸出信號(hào)之間的關(guān)系。通過前些章節(jié)的討論，我們可以看出在任何時(shí)候，電機(jī)的繞組都是有一相為正向通電、 一相為反 向通電和另外

30、一相為不通電。當(dāng)某相反電動(dòng)勢(shì)反向的時(shí)候霍爾傳感器的輸出也跟 著變化。理想狀態(tài)下，霍爾元件的輸出會(huì)在相反電動(dòng)勢(shì)過零的時(shí)候發(fā)生改變， 實(shí)際 應(yīng)用時(shí)會(huì)有一段小的延遲，這種延遲可以通過微控制器補(bǔ)償。圖 3.1.1為利用反 電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)的方式來控制 BLDCo圖3.1J過零檢測(cè)電機(jī)控制還有一方面需要考慮：當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速比較低的時(shí)候，反電動(dòng)勢(shì)會(huì)比較小，以致過零 檢測(cè)電路無法正常檢測(cè)，這個(gè)時(shí)候在電機(jī)啟動(dòng)階段就需要使用開環(huán)控制，當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)到產(chǎn)生可以過零檢測(cè)的反電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)速時(shí)，系統(tǒng)就需要切換到過零檢測(cè)控制模 式，進(jìn)行閉環(huán)控制。最低的過零檢測(cè)轉(zhuǎn)速可以根據(jù)電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)常量計(jì)算出來。根據(jù)這個(gè)原理，可以去除霍爾元件以及因

31、其安裝的輔助磁體， 這樣就可以簡(jiǎn)化制 造節(jié)約成本。另外，除去了霍爾元件的電機(jī)可以安裝在一些粉塵和油污比較大的 地方而無須為保證霍爾的正常工作而定時(shí)進(jìn)行清理，與此同時(shí)，這種免維護(hù)電機(jī)還可以安裝在人很難觸及的地方。6 .選擇合適的BLDC為實(shí)際應(yīng)用選擇合適的電機(jī)是至關(guān)重要的。根據(jù)電機(jī)的負(fù)載特性，需要確定合適的電機(jī)參數(shù)。其主要參數(shù)有以下幾點(diǎn)：應(yīng)用是的最大扭矩要求；平方根(RMS)扭矩需求；轉(zhuǎn)速要求。6.1 最大扭矩最大的扭矩可以通過將負(fù)載扭矩、 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和摩擦力相加得到。另外，還有一些 額外的因素影響最大需求扭矩如：氣隙空氣的阻力等，這就需要至少 20%的扭 矩余量，綜上所述，有以下等式：Tp =

32、(Tl + Tj + Tf)* L2TJ為電機(jī)啟動(dòng)或加速過程需要克服的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，其主要包括電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，其表示為：Tj = Jl + m * «上式中a為加速度，JL+M為定子和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。電機(jī)的機(jī)械軸決定電機(jī)的 負(fù)載力矩和摩擦力。6.2 平方根扭矩可以近似的認(rèn)為平方根扭矩為實(shí)際應(yīng)用中需要的持續(xù)輸出扭矩。它由很多因素決定：最大扭矩、負(fù)載扭矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、加速、減速以及運(yùn)行時(shí)間。下面的等式表 示了平方根扭矩的計(jì)算，其中TA為加速時(shí)間、TD為減速時(shí)間和TR為運(yùn)行時(shí)間。TRMS = V (TP2 Ta + (Tl + Tf)2Tr + (Tj_ 町-TF)2 TD/(TA + TR + TD)6.3 轉(zhuǎn)速這是有應(yīng)用需求的轉(zhuǎn)速。比如，吹風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速需求是，最圖轉(zhuǎn)速和平均轉(zhuǎn)速相差 不大，顯然在一些點(diǎn)對(duì)點(diǎn)定位系統(tǒng)如傳送帶和機(jī)械臂系統(tǒng)中就需要大轉(zhuǎn)速范圍的 電機(jī)，可以根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速梯形曲線()確定電機(jī)的轉(zhuǎn)速需求。通常，由于其他 因素，在計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速需求的時(shí)候需要留有 10%余量。TaTrToTime圖631轉(zhuǎn)速梯形曲線7 . BLDC典型應(yīng)用BLDC的應(yīng)用十分廣泛，如汽車、工具、工業(yè)工控、自動(dòng)化以及航空航天等等?？偟膩碚f，BLDC可以