STM32 电机教程 9 - BLDC电机基础

本节内容整理自《无刷直流（ BLDC）电机基础》（ MicroChip 公司，编号 AN885）和《直流无刷电机的原理及其控制》（ infineon 公司）

前言

无刷直流 （Brushless Direct Current， BLDC）电机是一种正快速普及的电机类型，它可在家用电器、汽车、航空航天、消费品、医疗、工业自动化设备和仪器等行业中使用。正如名称指出的那样，BLDC 电机不用电刷来换向，而是使用电子换向。BLDC 电机和有刷直流电机以及感应电机相比，有许多优点。其中包括：

• 更好的转速－转矩特性

• 快速动态响应

• 高效率

• 使用寿命长

• 运转无噪音

• 较高的转速范围此外，

由于输出转矩与电机体积之比更高，使之在需要着重考虑空间与重量因素的应用中，大有用武之地。

 

有刷电机                                                                                                                          无刷电机    

 

构造和工作原理

BLDC 电机是同步电机中的一种。也就是说，定子产生的磁场与转子产生的磁场具有相同的频率。BLDC 电机不会遇到感应电机中常见的 “差频”问题。BLDC 电机可配置为单相、两相和三相。定子绕组的数量与其类型对应。三相电机最受欢迎，使用最普遍。本文主要讨论三相电机。

电机工作的基本原理

1）通电导体产生磁场，特别的，通电线圈的磁场和磁体类似

2）磁体同性相吸、异性相斥，通电线圈和永磁体之间同样存在这样的现象  

无刷直流电机利用了通电线圈和永磁体的相互作用原理

无刷直流电机的逻辑结构

直流无刷电机的简化逻辑结构

通电的线圈会产生各自的磁场，他们的合成磁场满足矢量合成的原则

直流无刷电机的6拍工作方式，线圈产生旋转磁场

 

 

定子

BLDC 电机的定子由铸钢叠片组成，绕组置于沿内部圆周轴向开凿的槽中 （如图3所示）。定子与感应电机的定子十分相似，但绕组的分布方式不同。多数 BLDC 电机都有三个星型连接的定子绕组。这些绕组中的每一个都是由许多线圈相互连接组成的。在槽中放置一个或多个线圈，并使它们相互连接组成绕组。沿定子圆周分布这些绕组，以构成均匀分布的磁极。

 

有两种类型的定子绕组：梯形和正弦电机。以定子绕组中线圈的互连方式为依据来区分这两种电机，不同的连接方式会产生不同类型的反电动势 （ElectromotiveForce，EMF）。

 

正如它们的名称所示，梯形电机具有梯形的反电动势，正弦电机具有正弦形式的反电动势，如图1和图2所示。除了反电动势外，两类电机中的相电流也有梯形和正弦之分。这就使正弦电机输出的转矩比梯形电机平滑。但是，随之会带来额外的成本，这是因为正弦电机中线圈在定子圆周上的分布形式会使绕组之间有额外的互连，从而增加了耗铜量。

 

根据控制电源的输出能力，选择定子的额定电压合适的电机。48 伏或更低额定电压的电机适用于汽车、机器人和小型机械臂运动等应用。100 伏或更高额定电压的电机适用于家用电器、自动化和工业应用。

 

转子

转子用永磁体制成，可有多对磁极，南磁极和北磁极交替排列。要根据转子中需要的磁场密度选择制造转子的合适磁性材料。传统使用铁氧体来制造永磁体。随着技术的进步，稀土合金磁体正越来越受欢迎。铁氧体比较便宜，但缺点是给定体积的磁通密度低。相比之下，合金材料

单位体积的磁场密度高，生成相同转矩所需的体积小。同时，这些合金磁体能改善体积与重量之比，比使用铁氧体磁芯的同体积电机产生的转矩更大。稀土合金磁体有钕（Nd）、钐钴（SmCo）以及钕铁硼铁氧体合金（NdFeB）等。进一步提高磁通密度，缩小转子体积的研究仍在持续进行中。图 4 展示了转子中不同磁体排列的横截面。

和有刷直流电机不同，BLDC 电机的换向是以电子方式控制的。要使 BLDC 电机转动，必须按一定的顺序给定子绕组通电。为了确定按照通电顺序哪一个绕组将得电，知道转子的位置很重要。转子的位置由定子中嵌入的霍尔效应传感器检测。多数 BLDC 电机在其非驱动端上的定子中嵌入了三个霍尔传感器。每当转子磁极经过霍尔传感器附近时，它们便会发出一个高电平或低电平信号，表示北磁极或南磁极正经过该传感器。根据这三个霍尔传感器信号的组合，就能决定换向的精确顺序。

注：

霍尔效应原理：磁场会对位于其中的带电导体内运动的电荷载流子施加一个垂直于其运动方向的力，该力会使正负电荷分别积聚到导体的两侧。这在薄而平的导体中尤为明显。电荷在导体两侧的积累会平衡磁场的影响，在导体两侧建立稳定的电势差。产生这一电势差的过程就叫做霍尔效应，由 E. H. Hall 在 1879 年发现。

 

转矩/转速特性

图 6 展示了转矩 / 转速特性的示例。有两个转矩参数用于定义 BLDC 电机，峰值转矩（TP）和额定转矩（TR）。连续运转时，电机的负载会增加直到达到额定转矩。如前所述，在 BLDC 电机中，转矩在转速达到额定值之前都保持不变。电机运转可达到的最大转速是额定转速的 150%，但从超过额定转速起转矩开始下降。

那种经常带负载起动、停止和反转的电机应用需要比额定转矩更大的转矩。需要大转矩的时间通常很短，尤其是在电机从静止状态起动以及加速时。在此期间，需要额外的转矩来克服负载和电机本身的惯性。电机只要按转速转矩曲线运转，就能提供更高的转矩，最高可达峰值转矩。要了解如何为某个应用选择这些参数，

 

BLDC与其他类型电机作比较

与有刷直流电机和感应电机相比，BLDC 电机有许多优点，也有一些缺点。无刷电机需要的维护较少，因此和有刷直流电机相比寿命更长。与同体积的有刷直流电机和感应电机相比， BLDC 电机能产生更大的输出功率。由于转子用永磁体制成，和其他类型的电机相比，转子惯性较小。这就改进了加速和减速特性，缩短了工作周期。其线性的转速 / 转矩特性有助于预测转速调节的结

果。使用无刷电机就无需检修电刷。在维护困难的应用以及检修空间狭小的场合，无刷电机是理想的选择。BLDC 电机运行时比有刷直流电机安静得多，并且减少了电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）。低电压型号对使用电池供电的应用、便携式设备或医疗应用很理想。表 1 对 BLDC 电机与有刷直流电机之间的比较进行了总结。表 2 比较了 BLDC 电机与感应电机。

 

直流无刷电机的控制技术

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，它可以有效的反映通过霍尔原件的磁密度

当霍尔在和电机的转子做相对运动时，会随着转子下磁密度的变化，产生变化的信号

 

换向顺序

图 7 展示了霍尔传感器信号相对反电动势和相电流变化的示例。图 8 展示了按照霍尔传感器信号应遵循的切换顺序。图 7 上的序号对应于图 8 中所给的数字。每转过 60 个电角度，其中一个霍尔传感器就会改变状态。因此，完成电周期需要六步。在同步模式下，每转过 60 个电角度相电流切换一次。但是，一个电周期可能并不对应于完整的转子机械转动周期。完成一圈机械转动要重复的电周期数取决于转子磁极的对数。每对转子磁极需要完成一个电周期。因此，电周期数 / 转数等于转子磁极对数。图 9 展示了用于控制 BLDC 电机的控制器的框图。 Q0到 Q5 是 PIC18FXX31 单片机控制的功率开关。根据电机的电压和电流额定值，这些开关可以是 MOSFET 或IGBT，也可以是简单的双极性晶体管。表 3 和表 4 展示了根据霍尔传感器输入 A、 B 和 C 切换这些功率开关的顺序。表 3 用于电机的顺时针转动，表 4用于电机的逆时针转动。文中以彼此之间有 60 度相移的霍尔传感器信号为例。霍尔传感器彼此之间的相移可以是60° 或 120°。在选择控制特定电机的控制器时，应遵循电机制造商定义的顺序。参照图 9，如果标有 PWMx 的信号根据该顺序在导通（ON）和关断（OFF）之间切换，则电机将以额定转速运行。这里假设直流母线电压等于电机额定电压加上开关两端的电压损耗。要改变转速，这些信号必须以远高于电机频率的频率进行脉宽调制 （Pulse WidthModulated， PWM）。作为一条经验法则， PWM 频率至少应该是电机最高频率的 10 倍。PWM 的占空比在一次换向过程中变化时，提供给定子的平均电压降低，从而降低了转速。 PWM 的另一个好处是，如果直流母线电压比电机额定电压高得多，可通过限制 PWM 占空比对应于电机额定电压的百分比来控制电机。这就增加了灵活性，可使控制器能与具有不同额定电压的电机协同工作，通过控制 PWM 占空比使控制器的平均输出电压与电机额定电压匹配。

 

控制途径有很多。如果由单片机提供 PWM 信号，可在一次换向的全部时间内使上部的开关保持导通，而相应的下部开关可由适当的 PWM 占空比控制。连接到图 9 中模数转换器通道的电位器用于设置转速基准电压。将根据该输入电压计算 PWM 占空比。

 

闭环控制可通过测量电机的实际转速来对转速进行闭环控制。首先计算设定转速和实际转速间的误差。可以用比例 - 积分 - 微分 （Proportional plus Integral plus Derivative，P.I.D.）控制器放大转速误差，动态调整 PWM 占空比。对于低成本、低分辨率的转速要求，可用霍尔信号测量转速反馈。可以用 PIC18FXX31 中的定时器计算霍尔信号两个边沿间的时间，并用该时间计算电机的实际转速。对于高分辨率转速测量，可在电机上安装光电式编码器，它能给出具有 90 度相位差的两个信号。用这些信号可以判定转速和转向。同时，多数编码器还给出第三个索引信号，电机每转动一周发出一个脉冲。它可以用在定位应用中。光电式编码器有不同的每转脉冲数（Pulse Per Revolution，PPR）可选，范围从几百到几千不等。

（注，与步进电机不同，BLDC电机的反转并不是简单地将正转节拍逆序，而是需要将电流方向逆序）

 

反电动势的定义

BLDC 电机转动时，每个绕组都会产生叫做反电动势（反电动势）的电压，根据楞次定律，其方向与提供给绕组的主电压相反。这一反电动势的极性与励磁电压相反。反电动势主要取决于三个因素：• 转子角速度• 转子磁体产生的磁场• 定子绕组的匝数

电机设计完毕后，转子磁场和定子绕组的匝数都是固定的。唯一决定反电动势的因素就是角速度，或者说转子转速，随着转子转速的提高，反电动势也随之增加。电机技术规范提供了一个称为反电动势常数的参数，可用于估计给定转速下的反电动势。绕组两端的压降可通过从供电电压中减去反电动势值算出。使用反电动势常数设计电机的方法如下：当电机以额定转速运行时，反电动势和供电电压间的电势差足以使电机消耗额定电流，提供额定转矩。如果电机转速超过额定转速，反电动势会显著增长，从而降低绕组两端的压降，减小电流，从而导致转矩曲线下降。转速曲线上最后一点表示供电电压等于反电动势与电机中压降损耗之和，此时电流和转矩都等于 0。

 

BLDC电机的无传感器控制

现在我们已经了解了根据霍尔传感器给出的转子位置进行换向的过程。 BLDC 电机还可通过监视反电动势信号，而不是霍尔传感器信号来换向。霍尔传感器信号和反电动势之间的关系（相对于相电压）如图 7 所示。正如我们在前面的小节中看到的，每次换向时都有一个绕组得正电，第二个得负电，第三个保持开路状态。如图7 所示，霍尔传感器信号会在反电动势的电压极性从正变为负或从负变为正时改变状态。在理想情况下，这应在反电动势穿过零值时发生，但实际上由于绕组特性，会有延时。该延时应由单片机补偿。图 10 展示了 BLDC电机无传感器控制的框图。

 

要考虑的另一个方面是电机转速极慢的情况。由于反电动势与转子转速成正比，在极慢的转速下反电动势的幅值很低，很难检测到过零点。因此，当电机从静止状态起动时必须采用开环控制，待有足以检测到过零点的反电动势时，才转而采用反电动势检测控制。可检测到反电动势的最低转速可通过该电机的反电动势常数算出。用这种方法换向无需霍尔传感器，在某些电机中连霍尔传感器磁体也不需要了。这就简化了电机结构，同时节约了成本。如果电机在多灰尘或多油的环境中运行，需要不时清洁才能确保霍尔传感器检测正常，在这种情况下使用无传感器控制自然很有优势。电机安装在难以检修的位置时同样也是如此。

OK,本期内容就到这了，下一期将介绍如何用STM32实现BLDC6步方波控制，如果大家有什么疑问或是有想了解的其它内容，也欢迎大家留言！！最后喜欢这个公众号的同学们记得加关注了，每天都会有技术干货推出！！

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