无刷直流电机的基本工作原理

dy19o9bjx8lk 2023-04-17 2338

工业控制

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分享下这篇不错的文章，了解下STM32单片机开发时常见的无刷直流电机。

无刷直流电机简介

无刷直流电机，英语缩写为BLDC（Brushless Direct Current Motor）。电机的定子是线圈，或者叫绕组。转子是永磁体，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。

无刷直流电机的结构

首先先从最基本的线圈说起。如下图。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。

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。下图将FET标为AT（A相Top），AB（A相Bottom），BT，BB，CT，CB。 FET的“开合”是由单片机控制的。

用霍尔传感器确认转子位置

霍尔传感器通过霍尔效应（Hall Effect），能检测出磁场强度的变化。根据高中物理所学的左手定则（用来判断带电导体在磁场中的受力方向），在霍尔传感器所在的回路中，磁场使带电粒子的运动发生偏转，带电粒子“撞到”霍尔传感器的两边，产生电位差。这时就可以用电压计接到霍尔传感器的两边，检测出这种电压变化，从而检测出磁场强度的变化，原理如下图所示。

电气角度和机械角度关系

虽然在这里插入这么个小知识有点怪，但我还是觉得有必要的，因为我觉得当时学的时候不太好理解。在这里配合霍尔传感器的实例说可能好懂一点。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。

电气角度 = 极对数 x 机械角度

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。

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PWM（Pulse 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FET的Gate（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。

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

审核编辑：汤梓红

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