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让你从基础了解无刷直流电机的工作原理

作者: 深圳hth官网登录发表时间:2022-05-25 15:03:12浏览量:17

今天,小编将为大家从基础开始描述无刷电机,写完那些对于无刷电机还不太了解的朋友可以在看完这篇文章后对它有一个系统全面的了解~ 0.电动机转动的原理 先说电动机的基本原理,大家小时候都玩过磁铁吧,异极相...

今天,小编将为大家从基础开始描述无刷电机,写完那些对于无刷电机还不太了解的朋友可以在看完这篇文章后对它有一个系统全面的了解~

0.电动机转动的原理

先说电动机的基本原理,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BLDCBrushless 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。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。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,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。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。

3.1. 电气角度和机械角度关系

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

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PWMPulse 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FETGate(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FETPWM波形如下。

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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