一、電機(jī)基本知識

　　電機(jī)已經(jīng)成為我們生活中的重要組成部分。它們存在于從電動汽車到無人機(jī)，機(jī)器人醫(yī)療設(shè)備，家電，玩具等其他的各種電子設(shè)備中。

　　電動機(jī)可根據(jù)其使用的電源類型分為兩大類：交流電動機(jī)和直流電動機(jī)。

　　交流電機(jī)使用交流電源(單相或三相)供電，主要用于需要大量扭矩的工業(yè)應(yīng)用中。直流電機(jī)是基于電池或直流電源的應(yīng)用。交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，但啟動特性和調(diào)節(jié)性能較差，需要通過變頻來控制電機(jī)速度。而直流電機(jī)具有優(yōu)越的啟動特性和調(diào)速性能，主要表現(xiàn)為控制性能好，調(diào)速范圍寬，效率高，廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用場合。

　　直流電機(jī)又可以分為三種不同的類型：1)有刷直流電機(jī) ;2)無刷直流電機(jī) ;3)伺服直流電機(jī) 。

　　電動機(jī)的工作原理都是基于兩個基本定律： 安培定律和法拉第定律。簡單的說就是，磁場中的載流導(dǎo)體，會受到力的作用(左手定則：讓磁感線穿過手掌正面，手指方向?yàn)殡娏鞣较?，大拇指方向?yàn)楫a(chǎn)生磁力的方向)。第二個定律指出，如果導(dǎo)體在磁場中移動，磁場中的導(dǎo)體因受到力的牽引切割磁感線會產(chǎn)生電動勢(1.右手定則：讓磁感線穿過掌心，大拇指方向?yàn)檫\(yùn)動方向，手指方向?yàn)楫a(chǎn)生的電動勢方向。2.右手螺旋定則：用右手握住通電螺線管，使四指彎曲與電流方向一致，那么大拇指所指的那一端就是通電螺旋管的N極。)。

　　我們研究的是電機(jī)控制，對于電機(jī)設(shè)計(jì)中的關(guān)于磁路，磁導(dǎo)率，氣隙飽和，去磁曲線等參數(shù)的研究意義不大。我們了解電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和原理即可。電動機(jī)由永磁體和一堆導(dǎo)體繞成的線圈兩個主要組成部分，即我們常說的定子和轉(zhuǎn)子。電機(jī)運(yùn)動的本質(zhì)，基于磁鐵同性相斥，異性相吸的事實(shí)，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動;實(shí)際上就是一個磁場在追著另一個磁場運(yùn)動的過程。

　　無刷直流電機(jī)工作原理示意圖如下所示：

　　1. 先用磁回路分析法來說明兩相兩極無刷電機(jī)的工作原理。

　　上圖中，當(dāng)兩頭的線圈通上電流時，根據(jù)右手螺旋定則，會產(chǎn)生方向指向右的外加磁感應(yīng)強(qiáng)度B(如圖中粗箭頭方向所示)，而中間的轉(zhuǎn)子會盡量使自己內(nèi)部的磁力線方向與外磁力線方向保持一致以形成一個最短閉合磁力線回路，這樣內(nèi)轉(zhuǎn)子就會按順時針方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場方向與外部磁場方向垂直時，轉(zhuǎn)子所受的轉(zhuǎn)動力矩最大。

　　上圖中，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場與外部磁場方向一致時，轉(zhuǎn)子所受磁力最大。此時轉(zhuǎn)子呈水平狀態(tài)，轉(zhuǎn)子力臂為0，力矩為0。雖然不再受到轉(zhuǎn)動力矩的作用，但由于慣性，還會繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)動。這時若改變兩頭螺線管的電流方向，轉(zhuǎn)子就會繼續(xù)順時針向前轉(zhuǎn)動。

　　如此不斷改變兩頭螺線管的電流方向，內(nèi)轉(zhuǎn)子就會不停地轉(zhuǎn)起來。改變電流方向的這一動作，就稱為換相。何時換相只與轉(zhuǎn)子的位置有關(guān)，而與轉(zhuǎn)子的速度無關(guān)。

　　2. 三相兩極無刷電機(jī)的工作原理。

　　以最常用的“三相星形聯(lián)結(jié)的二二導(dǎo)通方式”為列，定子三相繞組星形聯(lián)結(jié)方式的具體接線圖如下圖所示(轉(zhuǎn)子未畫出，假想是個二極磁鐵)，整個電機(jī)就引出三根線A、B、C。當(dāng)它們之間兩兩通電時，有六種情況，分別是AB、AC、BC、BA、CA、CB。

　　下面分別描述這六種情況下每個通電線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向(紅、藍(lán)箭頭表示)和兩個線圈的合成磁感應(yīng)強(qiáng)度方向(綠色箭頭表示)。如下圖所示：

　　當(dāng)AB相通電，C相不通電，A相定子線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向如紅色箭頭所示;B相定子線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向如藍(lán)色箭頭所示;A相和B相定子線圈合成的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向如綠色箭頭所示; 當(dāng)AB相通電，中間的轉(zhuǎn)子會盡量往綠色箭頭方向?qū)R(中間的轉(zhuǎn)子會盡量使自己內(nèi)部的磁感應(yīng)方向與外磁感應(yīng)方向保持一致)。當(dāng)轉(zhuǎn)子到達(dá)上圖(a)中綠色箭頭位置時，外線圈換相，改成AC相通電，這時轉(zhuǎn)子會繼續(xù)運(yùn)動，并往圖(b)中綠色箭頭處對齊，往后以此類推。當(dāng)外線圈完成六次換相后，內(nèi)轉(zhuǎn)子正好旋轉(zhuǎn)一周。

　　上圖中，遵循AB->AC->BC->BA->CA->CB的順序進(jìn)行通電換相。轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。如果想讓電機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)的話，電子方法是按倒過來的次序通電，物理方法直接對調(diào)任意兩根線，假設(shè)A和B對調(diào)，那么順序就是BA->BC->AC->AB->CB->CA。有刷直流電機(jī)采用機(jī)械換向，磁極不動，線圈旋轉(zhuǎn)。永磁體為固定定子，繞線線圈為轉(zhuǎn)子。電刷和換向器實(shí)現(xiàn)換向，有刷電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動簡單，加上直流電源就能控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)。但是由于電刷和換向器之間有摩擦，造成效率降低，電磁干擾大，壽命短，維護(hù)麻煩。 無刷電機(jī)顧名思義，就是沒有電刷，無刷電機(jī)采取電子換向，線圈不動，磁極旋轉(zhuǎn)。線圈固定了，那怎么才能產(chǎn)生變化的磁場呢?首先就必須通過霍爾元件，感應(yīng)永磁體磁極的位置，然后依照定子繞線來決定開啟或關(guān)閉三組橋式功率MOS管的順序，適時切換線圈電流的方向，保證產(chǎn)生正確方向的磁力，來驅(qū)動電機(jī)，消除了有刷電機(jī)的缺點(diǎn)。

　　有刷和無刷電機(jī)的主要優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)如下表所示：

　　二、直流無刷電機(jī)的系統(tǒng)組成

　　直流無刷電機(jī)是隨著半導(dǎo)體電子技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的新型機(jī)電一體化產(chǎn)品，是現(xiàn)代電子技術(shù)、控制理論和電機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。其系統(tǒng)主要包括直流電源、控制器、電動機(jī)和確定轉(zhuǎn)子位置的霍爾傳感器四部分組成。如下圖所示：

　　1)電源，可以直接以直流電輸入;如果是輸入交流電就必須先經(jīng)過AC-DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)成直流電。

　　2)控制器，無論是交流電源還是直流電源，在輸入到電機(jī)線圈之前必須將直流電壓通過逆變器轉(zhuǎn)成三相電壓來驅(qū)動電機(jī)，這就需由控制器來實(shí)現(xiàn)，控制器包括開關(guān)主電路，驅(qū)動電路，控制電路三部分組成。

　　a).開關(guān)主電路，由6個分立功率器件分上下臂連接電機(jī)作為控制流過電機(jī)線圈的開關(guān)，通?？蛇x擇的功率器件有功率晶體管GTR,功率場效應(yīng)管MOSFET,絕緣晶體管IGBT,可關(guān)斷晶閘管等。

　　b).驅(qū)動電路，就是驅(qū)動功率器件能可靠導(dǎo)通和關(guān)斷的驅(qū)動電路

　　c).控制電路MCU，MCU通過PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號，決定功率管開關(guān)的頻率和電子換向的時機(jī)。

　　3)電動機(jī)，在此為三相無刷直流電機(jī)

　　4)轉(zhuǎn)子位置傳感器，要讓電機(jī)轉(zhuǎn)動起來，無刷電機(jī)必須換向才能形成旋轉(zhuǎn)磁場，要想根據(jù) 轉(zhuǎn)子磁極的位置換向時就必須要知道轉(zhuǎn)子的位置。在無刷電機(jī)中，一般采用三個開關(guān)型霍爾傳感器，空間上彼此相差120電角度，用于測量轉(zhuǎn)子的位置。由其輸出3位二進(jìn)制編碼信號反饋給MCU . 電子換向時，如果滿足定子磁勢和轉(zhuǎn)子磁勢相互垂直的條件，就能取得最大轉(zhuǎn)矩。

　　5)安裝霍爾傳感器會增加電機(jī)的體積大小和復(fù)雜度，對電機(jī)的可靠性和制造帶來不利因素。無霍爾傳感器無刷電機(jī)的控制方法得到越來越廣泛的應(yīng)用。無霍爾無刷直流電機(jī)不需要霍爾傳感器，通過檢測定子繞組的反電動勢過零點(diǎn)來判斷轉(zhuǎn)子當(dāng)前的位置。與有霍爾的方案相比，最明顯的優(yōu)點(diǎn)就是降低了成本、減小了體積，且電機(jī)引線從8根變?yōu)?根，使接線調(diào)試大為簡化。因?yàn)闆]有霍爾來檢測轉(zhuǎn)子位置，在電機(jī)靜止或低速時，反電動勢為零或很小，難以準(zhǔn)確檢測繞組反電動勢，無法得到有效的轉(zhuǎn)子位置信號。需要采用開環(huán)方式進(jìn)行起動，造成電機(jī)起動容易產(chǎn)生振動，不合適負(fù)載或負(fù)載變化很大的場合。

　　三、直流無刷電機(jī)的控制原理

　　根據(jù)轉(zhuǎn)子磁極位置，對定子線圈進(jìn)行換向通電。其中最關(guān)鍵技術(shù)是通過6個功率器件組成的3個半橋來控制線圈的6拍通電方式，形成旋轉(zhuǎn)磁場。其工作過程如下圖所示：

　　上圖中A+，B+，C+ 為上臂功率晶體管，A- ,B- , C- 為下臂功率晶體管，6只功率晶體管按一定順次按一定要求順次導(dǎo)通，就可實(shí)現(xiàn)電機(jī)A、B、C三相繞組的輪流通電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，如圖中所示的通電順序，B+A- , B+C-,A+C-,A+B-,C+B-,C+A- ，如此循環(huán)就產(chǎn)生了順時針的旋轉(zhuǎn)磁場。要電機(jī)反轉(zhuǎn)將功率晶體管開啟順序相反即可。需要注意的是同相的上臂和下臂功率管絕對不允許同時導(dǎo)通，否則會造成上下臂短路，燒毀功率管。

　　改變線圈繞組兩端的電壓，可以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。在電機(jī)控制系統(tǒng)中采用單片機(jī)產(chǎn)生PWM(脈沖寬度調(diào)制)波形，通過控制PWM的不同占空比，則線圈繞組的平均電壓可以被控制，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。PWM 調(diào)制方式又分兩種：全橋調(diào)制和半橋調(diào)制。在120℃導(dǎo)通期間，對功率逆變橋的上橋和下橋都采用PWM方式驅(qū)動，即“全橋調(diào)制”;在120℃導(dǎo)通期間，只對功率逆變橋的上橋(或者下橋)采用PWM方式驅(qū)動，下橋(或上橋)恒通，稱為“半橋調(diào)制”。

　　全橋調(diào)制下MOS管的開關(guān)頻率是半橋調(diào)制方式的兩倍左右，損耗比較大，很少用到。半橋調(diào)制比較常用，它又分為H-PWM-L-ON (在120℃導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)，上橋臂MOS管用PWM調(diào)制，下橋臂MOS管恒通)、H-ON-L-PWM(在120℃導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)，上橋臂MOS管恒通，下橋臂MOS管用PWM調(diào)制)、PWM-ON(前60℃PWM,后60℃恒通)、ON-PWM(前60℃ 恒通,后60℃ PWM) 等多種，其調(diào)制方式各有特點(diǎn)，需根據(jù)應(yīng)用場合和具體電路選擇合適的控制方式。

　　四、無刷直流電機(jī)BLDC的控制方案

　　目前，BLDC無刷直流電機(jī)的整體解決方案共有四大類。

　　1) MCU + 預(yù)驅(qū) + 驅(qū)動MOS

　　2) MCU + [ 預(yù)驅(qū) + 驅(qū)動MOS ]

　　3) [ MCU + 預(yù)驅(qū) ] + 驅(qū)動MOS

　　4) SOC 方案

　　各種控制方案的優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)如下：

　　MCU + 預(yù)驅(qū) + 驅(qū)動 為傳統(tǒng)方案，因?yàn)榇蠊β视懈邏汉蜕釂栴}，因此在高壓和大功率系統(tǒng)中，通常采用傳統(tǒng)控制方案。隨著技術(shù)的發(fā)展，無刷直流電機(jī)的控制整體方案朝著無傳感器高集成度方向發(fā)展。各個芯片廠商都針對不同細(xì)分市場開發(fā)了40V/100V/300V/600V等不同耐壓，不同驅(qū)動能力的差異化產(chǎn)品。搭配不同的電機(jī)控制方案，給客戶提供了非常靈活的選擇。