無刷電機控制基礎（1）——結構和驅動電路

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2022-11-09 13:05:11 813

無刷電機是指無電刷和機械換向器的電機。

我們知道，一般的有刷電機的定子是永磁體，轉子是電磁鐵。轉子轉動時，通過電刷來自動切換轉子電磁鐵的中的電流方向，使得轉子始終受到轉動力矩的作用，得以旋轉起來。

而無刷電機，轉子是永磁體，定子是電磁鐵，使用電子換向器器來切換電磁鐵中的電流方法。由于它沒有機械式的電刷，所以稱為無刷電機。

1）無刷電機的結構

先介紹幾個概念，無刷電機的槽數和級數，槽數N指的是定子上的電磁鐵極數量，極數P指的是轉子上磁極的數量。

最簡單的3N2P結構電機，就是定子上有三個線圈極、定子上有兩個磁極的無刷電機。

3N2P型無刷電機的定子結構示意如下圖：

定子有三組線圈：A、B、C，三個線圈的一端連接到公共點，另一端引出三個引線a、b、c。

在其中心放上一塊作為定子的磁鐵，就形成了最簡單的無刷電機結構，如下圖：

當然，這只是結構最簡單的3槽2極電機，常用的電機為了使得轉動更加平穩、轉矩更大，會增加槽數和極數。線圈的連接方式，可以為星形，也可以是三角形連接。

同時，按機械結構，轉子在電機的內部還是外圍，又可以分為外轉子電機和內轉子電機。

2）無刷電機的驅動原理

了解了無刷電機的結構，那么，無刷電機是如何轉動起來的呢？

我們仍然以最簡單的3N2P無刷電機為例，假設初始時，我們在a端接電源正、b端接電源負、c端懸空，則A線圈產生磁場方向朝左上方，B線圈產生磁場方向朝正上方，磁場的矢量和朝左上方，轉子磁鐵在A、B線圈的磁場作用下，會轉到圖示方向：

下一時刻，我們在c端接電源正、b端接電源負、而a端懸空，則磁場矢量和朝向右上方，轉子磁鐵會從下圖的1轉到下圖2中的位置：

同理，后續依次c+a-、a-b+、b+c-、c-a+、a+b-、b-c+循環加電，轉子磁鐵就能循環轉動起來了。每經過6次切換電流，轉子轉動一圈。

因為三個線圈相隔120°，所以，不難得出兩個線圈同時導通時，轉矩為單個線圈的√3倍。

上述驅動方法中，每次導通了兩個線圈，因此稱為“二二導通”驅動方式；相對地還有一種三個線圈同時導通的方式，稱為“三三導通”驅動方式。

例如，施加電壓為 a+b-c- 的狀態時，由于三個線圈都會產生磁場，則定子磁鐵會轉動到下圖位置（N極正對A線圈）：

而且，由于A線圈中的電流等于B、C電流之和，所以總的轉矩為1.5倍A線圈的轉矩。

不難分析出，“三三導通”的驅動方式，也是6個步驟完成轉動一圈。如我們依次按a+b-c-、a+b-c+、a-b-c+、a-b+c+、a-b+c-、a+b+c-循環控制線圈電壓，則定子也能轉動起來。

3）無刷電機的驅動電路

上面我們分析了如何讓三相的無刷電機轉動起來，實質上就是需要能對三個線圈的引出點分別加正、負電壓，一般可以用如下三相六臂全橋電路來實現：

例如，在上圖中導通Q1和Q4，其他都不導通，那么電流將從Q1流經U相繞組，再從V相繞組流到Q4。這樣也就完成了個線圈通電，同理，依次導通Q5Q4、Q5Q2、Q3Q2、Q3Q6和Q1Q6，這也就完成了“二二導通”的6拍工作方式。

同理三相全橋也可以實現“三三導通”的控制方式。

上述全橋電路只是原理性的介紹，實際應用時，要保證控制時，不能有同一個橋臂的上下MOS管同時導通，否則會燒毀器件。我們可以先關閉上橋臂的MOS，再開啟下橋臂的MOS（或者先關閉下MOS再開啟上MOS）這樣就避免了上下MOS同時導通的時間，錯開的這個時間差，一般稱為死區時間（dead time）。很多MCU輸出的PWM波，都可以控制死區時間的大小，方便我們設計。

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