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BLDC電機控制

BLDC電機因體積小、效率高、使用壽命長和可控性好而備受關(guān)注。本節(jié)將探討如何進行BLDC電機控制來充分發(fā)揮其潛力。

BLDC電機的連接更加復(fù)雜

圖1展示了典型內(nèi)轉(zhuǎn)子型BLDC電機的外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其永磁體安裝在轉(zhuǎn)子上，線圈則位于外部，這與傳統(tǒng)的有刷直流電機（線圈在轉(zhuǎn)子、永磁體在外側(cè)）截然不同。由于BLDC電機的轉(zhuǎn)子無需通電，因此無需電刷，但是BLDC電機比有刷電機更難驅(qū)動。有刷電機僅需連接電源正負極即可運行，而BLDC電機的引線數(shù)量和接線方式均不同且更為復(fù)雜。

圖1：BLDC電機的內(nèi)部與外部結(jié)構(gòu) BLDC電機的轉(zhuǎn)子為永磁體，無需電流，取消電刷和換向器后，使用壽命更長。

控制磁場方向控制BLDC電機

要使BLDC電機旋轉(zhuǎn)，需控制電流進的方向和時序。圖 2(a) 展示了BLDC電機的定子（線圈）和轉(zhuǎn)子（永磁體），此示例中使用三個間隔120º線圈（實際中多為六組及以上線圈）。線圈U、V、W通電時產(chǎn)生磁場，通過組合不同線圈的電流方向，可生成合成磁場以驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

圖2(a)：BLDC電機的旋轉(zhuǎn)原理典型配置：三組線圈間隔120º，通過相位和線圈控制驅(qū)動。以上案例中采用一臺3線圈的電機，將線圈標記為U、V和W。例如：僅線圈U通電時，磁場方向如圖2(b)箭頭所示，實際中線圈U、V、W通過單根引線互聯(lián)，無法單獨激勵單一相位。圖2(c) 展示線圈U和W同時通電時的磁場合成效果，圖2(d) 中的寬箭頭表示合成磁通方向，該磁場會吸引轉(zhuǎn)子永磁體，直至其N/S極與磁場方向?qū)R。


圖2(b)：BLDC電機旋轉(zhuǎn)原理	圖2(c)：BLDC電機旋轉(zhuǎn)原理	圖2(d)：BLDC電機旋轉(zhuǎn)原理
電流先流過U，然后流過W，箭頭表示線圈U產(chǎn)生的磁通。	電流U和W，兩個箭頭分別表示線圈U與W的磁場合成	合成磁通驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)

通過不斷切換線圈激勵相位，合成磁場持續(xù)旋轉(zhuǎn)，牽引轉(zhuǎn)子永磁體轉(zhuǎn)動。簡而言之，須不斷切換U、V和W的通電，使合成磁通量保持移動，從而產(chǎn)生不斷旋轉(zhuǎn)磁場拉動轉(zhuǎn)子。圖3展示了六種激勵模式（模式1至6）下磁場的切換順序，每切換一次模式，磁場方向改變60°，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)。此方法稱為120度導(dǎo)通控制，轉(zhuǎn)速由相位切換速率控制。 BLDC電機旋轉(zhuǎn)原理

圖3：合成磁通的連續(xù)變化驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)

BLCD電機的正弦控制可實現(xiàn)平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)

在120度導(dǎo)通控制下，只有六個合成磁通方向可用于驅(qū)動電機。例如，從模式1切換到模式2（見圖3）會使合成磁通方向再次拉動轉(zhuǎn)子，重復(fù)此向移動60º，從而相應(yīng)地拉動轉(zhuǎn)子。從模式2切換到模式3會使磁通方向再移動60º，過程會產(chǎn)生連續(xù)旋轉(zhuǎn)，但旋轉(zhuǎn)有些不平穩(wěn)。在某些情況下，這種不平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)會引發(fā)振動和噪聲。正弦波控制通過精確調(diào)節(jié)三相電流的幅值，使合成磁通方向和大小連續(xù)變化，從而實現(xiàn)更平滑的旋轉(zhuǎn)，可作為120度導(dǎo)電控制的替代方案（圖4）。 BLDCD電機正弦控制

圖4：正弦控制通過三相電流的精細調(diào)控，合成磁通不再局限于六個離散方向。

變頻器控制BLDC電機

可以回顧流入U、V 和W的電流的性質(zhì)。以120度導(dǎo)通控制為例，模式1中的電流從U流向W；模式2中電流從U流向V（圖3）。如圖中的箭頭所示，每次變化的通電線圈組合都會導(dǎo)致磁通方向的變化，而模式4的電流從W流向V，在有刷直流電機中可以通過電刷和換向器來實現(xiàn)電流反轉(zhuǎn)。因BLDC電機不能使用電刷或其他機械接觸來實現(xiàn)這種反轉(zhuǎn)，BLDC電機不使用逆變器電路來實現(xiàn)這種控制。逆變器替代了有刷電機的機械換向功能，并結(jié)合脈沖寬度調(diào)制（PWM）調(diào)節(jié)電壓幅值。PWM通過改變占空比（導(dǎo)通時間占周期的比例）等效調(diào)整電壓（圖5）。

解析：左圖：當(dāng)導(dǎo)通時間保持在開關(guān)周期的一半時，有效電壓將維持在滿電壓的一半水平。 右圖：進一步減少導(dǎo)通時間會繼續(xù)降低有效電壓值。 圖5：PWM輸出與輸出電壓（alt：PWM輸出與輸出電壓）改變占空比（導(dǎo)通時間占周期的比例）會改變有效電壓。

BLDC電機和位置傳感器

如上文提到，需要通過不斷改變線圈產(chǎn)生的磁通方向來驅(qū)動BLDC電機，轉(zhuǎn)子上的永磁體不斷追逐移動的旋轉(zhuǎn)磁場，從而使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。BLDC電機控制需與轉(zhuǎn)子位置同步，因此通常配備位置傳感器（表1）。霍爾元件（每60°輸出信號）適用于120度導(dǎo)通控制；光學(xué)編碼器（高分辨率但怕粉塵）和旋轉(zhuǎn)變壓器（耐惡劣環(huán)境）則用于矢量控制。傳感器雖提升可靠性，但增加成本和維護難度，部分場景可使用無傳感器控制替代。

傳感器類型	典型應(yīng)用	特征
霍爾元件	120度導(dǎo)通控制	每60°接收一次信號，成本低，耐熱性差。
光學(xué)編碼器	正弦波控制、矢量控制	兩種類型：增量式（檢測位移）和絕對式（檢測當(dāng)前位置），高分辨率，怕粉塵。
旋轉(zhuǎn)變壓器	正弦波控制、矢量控制	高分辨率，結(jié)構(gòu)堅固，適用于惡劣環(huán)境。

表1：位置傳感器類型與特性

矢量控制保持高效率

正弦控制利用三相電流平穩(wěn)控制磁通，從而實現(xiàn)平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)。120度導(dǎo)電控制一次只能為三相（U、V 和 W）中的兩相通電，而正弦控制需為三相提供不同量的電流，所以更復(fù)雜。減少這種復(fù)雜性的一種方法是使用矢量控制，矢量控制通過坐標變換將三相交流量轉(zhuǎn)換為兩相直流量，簡化計算。此方法依賴高精度位置信息（傳感器或電流估算）和MCU的浮點運算能力。