無刷直流電機的基本工作原理

2021-02-20 STM32嵌入式開發

    分享下這篇不錯的文章，了解下STM32單片機開發時常見的無刷直流電機。

無刷直流電機簡介

    無刷直流電機，英語縮寫為BLDC（Brushless Direct Current Motor）。電機的定子是線圈，或者叫繞組。轉子是永磁體，就是磁鐵 。根據轉子的位置，利用單片機來控制每個線圈的通電，使線圈產生的磁場變化，從而不斷在前面勾引轉子讓轉子轉動，這就是無刷直流電機的轉動原理。下面深入一下。

無刷直流電機的結構

    首先先從最基本的線圈說起。如下圖。可以將線圈理解成長得像彈簧一樣的東西。根據初中學過的右手螺旋法則可知，當電流從該線圈的上到下流過的時候，線圈上面的極性為N，下面的極性為S。

    現在再弄一根這樣的線圈。然後擺弄一下位置。這樣如果電流通過的話，就能像有兩個電磁鐵一樣。

    再弄一根，就可以構成電機的三相繞組。

    再加上永磁體做成的轉子，就是一個無刷直流電動機了。

無刷直流電機的電流換向電路

    無刷直流電機之所以既只用直流電，又不用電刷，是因為外部有個電路來專門控制它各線圈的通電。這個電流換向電路最主要的部件是FET（場效應電晶體，Field-Effect Transitor）。可以把FET看作是開關。下圖將FET標為AT（A相Top），AB（A相Bottom），BT，BB，CT，CB。FET的「開合」是由單片機控制的。

用霍爾傳感器確認轉子位置

    霍爾傳感器通過霍爾效應（Hall Effect），能檢測出磁場強度的變化。根據高中物理所學的左手定則（用來判斷帶電導體在磁場中的受力方向），在霍爾傳感器所在的迴路中，磁場使帶電粒子的運動發生偏轉，帶電粒子「撞到」霍爾傳感器的兩邊，產生電位差。這時就可以用電壓計接到霍爾傳感器的兩邊，檢測出這種電壓變化，從而檢測出磁場強度的變化，原理如下圖所示。

電氣角度和機械角度關係

    雖然在這裡插入這麼個小知識有點怪，但我還是覺得有必要的，因為我覺得當時學的時候不太好理解。在這裡配合霍爾傳感器的實例說可能好懂一點。機械角度就是電動機轉子實際轉過的角度。電氣角度和機械角度的關係與轉子的極對數有關。

    因為實際上線圈生成的磁場要吸引的是轉子的磁極。所以對於電機的轉動控制來說，我們只關心電氣角度就好。

怎樣控制無刷直流電機的轉速？

    線圈兩端的電壓越大，通過線圈的電流越大，生成磁場越強，轉子轉動得就越快。因為接的電源是直流的，所以我們通常用PWM（Pulse Width Modulation，脈衝寬度調製）來控制線圈兩端電壓的大小。PWM的簡單原理如下。

    所以給無刷直流電機通電的時候，用單片機產生的PWM不斷地控制FET的開合，能使線圈反覆處於通電斷電，通電斷電的狀態。通電時間長（Duty大），線圈兩端的等效電壓就大，產生的磁場強度就強，轉子轉動就快；通電時間短（Duty小），線圈兩端的等效電壓就小，產生的磁場強度就弱，轉子轉動就慢。

    PWM波形接到FET的Gate（門極）上，控制FET的開合。假設Gate上的電壓為高時，FET閉合導通；Gate上的電壓為低時，FET斷開不通電。

    而且同一相上的上下兩個FET須由反相的PWM波形控制，以防止上下兩個FET同時導通，造成電流不通過電機而上下相同，造成短路。

    無刷直流電機的關鍵有三點：

線圈繞組電流的換向順序。電流的換向順序決定了由線圈產生的磁場的旋轉方向，從而決定了轉子的轉動方向

霍爾傳感器或其它手段來估計永磁體轉子所處的位置，用於決定電流什麼時候換向

使用單片機產生的PWM波形來控制電機繞組的通電時間，來控制轉子轉動的速度

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