从基础描述无刷直流电机的工作原理
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作者:涅哀
编辑整理:strongerHuang
来源地址:
https://www.zhihu.com/question/318357171/answer/721020603
无刷电机相信大家没听说过,生活或工作中都用过或接触过,今天分享一篇从基础开始描述无刷电机的文章。
0.电动机转动的原理
先说电动机的基本原理吧。有基础的可以直接跳过。
大家小时候都玩过磁铁吧,异极相吸,两磁铁一靠近“啪”就撞上了。
现在假设你的手速足够快,拿着一块磁铁在前面疯狂勾引,那么另外一块磁铁就一直跟着你。
你的手拿着磁铁画圈圈,另外一块磁铁也跟着你转圈圈。
以上,就是电动机转动的基本原理了。只不过是在前面用来勾引的“磁铁”不是真的磁铁,而是由线圈通电后生成的磁场。
1. 无刷直流电机简介
无刷直流电机,英语缩写为BLDC(Brushless Direct Current Motor)。电机的定子(不动的部分)是线圈,或者叫绕组。转子(转动的部分)是永磁体,就是磁铁 。根据转子的位置,利用单片机来控制每个线圈的通电,使线圈产生的磁场变化,从而不断在前面勾引转子让转子转动,这就是无刷直流电机的转动原理。下面深入一下。
2. 无刷直流电机的基本工作原理
2.1. 无刷直流电机的结构
首先先从最基本的线圈说起。如下图。可以将线圈理解成长得像弹簧一样的东西。根据初中学过的右手螺旋法则可知,当电流从该线圈的上到下流过的时候,线圈上面的极性为N,下面的极性为S。
现在再弄一根这样的线圈。然后摆弄一下位置。这样如果电流通过的话,就能像有两个电磁铁一样。
再弄一根,就可以构成电机的三相绕组。
再加上永磁体做成的转子,就是一个无刷直流电动机了。
2.2. 无刷直流电机的电流换向电路
无刷直流电机之所以既只用直流电,又不用电刷,是因为外部有个电路来专门控制它各线圈的通电。这个电流换向电路最主要的部件是FET(场效应晶体管,Field-Effect Transitor)。可以把FET看作是开关。下图将FET标为AT(A相Top),AB(A相Bottom),BT,BB,CT,CB。FET的“开合”是由单片机控制的。
2.3. 无刷直流电机的电流换向过程
FET的“开合”时机是由单片机控制的。最常用的电流换向方法是 Six-step Commutation,翻译过来是“六步换向”。现在建个坐标系。六步换向的过程如下表。
2.4. 无刷直流电机的转子是怎么转动的呢?
靠的就是用六步换向生成一个旋转的磁场,在转子的前方不断勾引。就像文章开头那只拿着磁铁画圈圈的手一样。如果你看合成的磁场方向和转子所在的位置的话,就一目了然了。
你看,合成的磁场的S极一直在转子N极的前面等着。
只要把握好线圈通电的时机,让合成磁场的方向一直提前于转子的位置,转子就会一直屁颠屁颠地跟着。
3. 怎样确定换向时机?
上面说过,控制转子转动的关键是,等转子转到合适的角度时,对通过线圈的电流进行换向,从而使生成的磁场方向发生变化,吸引转子,令转子转动。
那这个电流换向的时机应该怎么把握呢?也就是说,我要怎么样知道现在转子转动到什么位置?知道转子在哪我才知道要通哪两相的电啊。
其实判断转子位置的方法挺多,用传感器也行,不用传感器也行。先说用传感器的,传感器一般用霍尔传感器(Hall Sensor)。
3.1. 用传感器确认转子位置
3.1.1. 霍尔传感器
霍尔传感器通过霍尔效应(Hall Effect),能检测出磁场强度的变化。根据高中物理所学的左手定则(用来判断带电导体在磁场中的受力方向),在霍尔传感器所在的回路中,磁场使带电粒子的运动发生偏转,带电粒子“撞到”霍尔传感器的两边,产生电位差。这时就可以用电压计接到霍尔传感器的两边,检测出这种电压变化,从而检测出磁场强度的变化。原理如下图所示。
3.1.2. 霍尔传感器怎样得到转子的位置?
有了霍尔传感器,就能大致知道转子的位置了。霍尔传感器一般是每隔120°安装,或者每隔60°安装。下面假设是每隔120°安装的。
假设转子N极划过霍尔传感器的感应区域时,霍尔传感器的输出电压为高(一般5V)。反之为低。
根据HA,HB,HC的电平,可以知道转子所处位置的角度。比如,若HA高,HB低,HC低,我们能够知道转子处于180度~240度的电气角度之间(电气角度和实际机械角度的关系等下说)。使用3个霍尔传感器时,分辨率是60度的电气角度。就是说我只能知道现在转子的位置在60°电气角度范围内,但准确具体多少度我们不知道。
3.1.3. 电气角度和机械角度关系
虽然在这里插入这么个小知识有点怪,但我还是觉得有必要的,因为我觉得当时学的时候不太好理解。在这里配合霍尔传感器的实例说可能好懂一点。
机械角度就是电动机转子实际转过的角度。
电气角度和机械角度的关系与转子的极对数有关。
因为实际上线圈生成的磁场要吸引的是转子的磁极。所以对于电机的转动控制来说,我们只关心电气角度就好。
电气角度 = 极对数 x 机械角度
3.2. 无传感器时估计转子位置的方法
这个坑有点大,这个答案就先略过了。
4. 无刷直流电机的转速和旋转方向
4.1. 怎样控制无刷直流电机转动的方向?
改变电流换向的次序即可。让线圈合成的磁场方向反方向旋转起来。
4.2. 怎样控制无刷直流电机的转速?
线圈两端的电压越大,通过线圈的电流越大,生成磁场越强,转子转动得就越快。
因为接的电源是直流的,所以我们通常用PWM(Pulse Width Modulation,脉冲宽度调制)来控制线圈两端电压的大小。PWM的简单原理如下。
所以给无刷直流电机通电的时候,用单片机产生的PWM不断地控制FET的开合,能使线圈反复处于通电断电,通电断电的状态。通电时间长(Duty大),线圈两端的等效电压就大,产生的磁场强度就强,转子转动就快;通电时间短(Duty小),线圈两端的等效电压就小,产生的磁场强度就弱,转子转动就慢。
PWM波形接到FET的Gate(门极)上,控制FET的开合。假设Gate上的电压为高时,FET闭合导通;Gate上的电压为低时,FET断开不通电。
而且同一相上的上下两个FET须由反相的PWM波形控制,以防止上下两个FET同时导通,造成电流不通过电机而上下相同,造成短路。控制FET的PWM波形如下。
尾记
综上,无刷直流电机的关键有三点:
线圈绕组电流的换向顺序。电流的换向顺序决定了由线圈产生的磁场的旋转方向,从而决定了转子的转动方向。
霍尔传感器或其它手段来估计永磁体转子所处的位置,用于决定电流什么时候换向。
使用单片机产生的PWM波形来控制电机绕组的通电时间,来控制转子转动的速度。
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