從基礎(chǔ)描述無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理
作者：涅哀
編輯整理：strongerHuang
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https://www.zhihu.com/question/318357171/answer/721020603
無(wú)刷電機(jī)相信大家沒聽說(shuō)過，生活或工作中都用過或接觸過，今天分享一篇從基礎(chǔ)開始描述無(wú)刷電機(jī)的文章。
0.電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的原理
先說(shuō)電動(dòng)機(jī)的基本原理吧。有基礎(chǔ)的可以直接跳過。
大家小時(shí)候都玩過磁鐵吧，異極相吸，兩磁鐵一靠近“啪”就撞上了。
現(xiàn)在假設(shè)你的手速足夠快，拿著一塊磁鐵在前面瘋狂勾引，那么另外一塊磁鐵就一直跟著你。
你的手拿著磁鐵畫圈圈，另外一塊磁鐵也跟著你轉(zhuǎn)圈圈。
以上，就是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的基本原理了。只不過是在前面用來(lái)勾引的“磁鐵”不是真的磁鐵，而是由線圈通電后生成的磁場(chǎng)。
1. 無(wú)刷直流電機(jī)簡(jiǎn)介
無(wú)刷直流電機(jī)，英語(yǔ)縮寫為BLDC（Brushless Direct Current Motor）。電機(jī)的定子（不動(dòng)的部分）是線圈，或者叫繞組。轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)動(dòng)的部分）是永磁體，就是磁鐵 。根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置，利用單片機(jī)來(lái)控制每個(gè)線圈的通電，使線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化，從而不斷在前面勾引轉(zhuǎn)子讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，這就是無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理。下面深入一下。
2. 無(wú)刷直流電機(jī)的基本工作原理
2.1. 無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)
首先先從最基本的線圈說(shuō)起。如下圖?？梢詫⒕€圈理解成長(zhǎng)得像彈簧一樣的東西。根據(jù)初中學(xué)過的右手螺旋法則可知，當(dāng)電流從該線圈的上到下流過的時(shí)候，線圈上面的極性為N，下面的極性為S。
現(xiàn)在再弄一根這樣的線圈。然后擺弄一下位置。這樣如果電流通過的話，就能像有兩個(gè)電磁鐵一樣。
再弄一根，就可以構(gòu)成電機(jī)的三相繞組。
再加上永磁體做成的轉(zhuǎn)子，就是一個(gè)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)了。
2.2. 無(wú)刷直流電機(jī)的電流換向電路
無(wú)刷直流電機(jī)之所以既只用直流電，又不用電刷，是因?yàn)橥獠坑袀€(gè)電路來(lái)專門控制它各線圈的通電。這個(gè)電流換向電路最主要的部件是FET（場(chǎng)效應(yīng)晶體管，F(xiàn)ield-Effect Transitor）。可以把FET看作是開關(guān)。下圖將FET標(biāo)為AT（A相Top），AB（A相Bottom），BT，BB，CT，CB。FET的“開合”是由單片機(jī)控制的。
2.3. 無(wú)刷直流電機(jī)的電流換向過程
FET的“開合”時(shí)機(jī)是由單片機(jī)控制的。最常用的電流換向方法是 Six-step Commutation，翻譯過來(lái)是“六步換向”。現(xiàn)在建個(gè)坐標(biāo)系。六步換向的過程如下表。
2.4. 無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子是怎么轉(zhuǎn)動(dòng)的呢？
靠的就是用六步換向生成一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，在轉(zhuǎn)子的前方不斷勾引。就像文章開頭那只拿著磁鐵畫圈圈的手一樣。如果你看合成的磁場(chǎng)方向和轉(zhuǎn)子所在的位置的話，就一目了然了。
你看，合成的磁場(chǎng)的S極一直在轉(zhuǎn)子N極的前面等著。
只要把握好線圈通電的時(shí)機(jī)，讓合成磁場(chǎng)的方向一直提前于轉(zhuǎn)子的位置，轉(zhuǎn)子就會(huì)一直屁顛屁顛地跟著。
3. 怎樣確定換向時(shí)機(jī)？
上面說(shuō)過，控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)鍵是，等轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到合適的角度時(shí)，對(duì)通過線圈的電流進(jìn)行換向，從而使生成的磁場(chǎng)方向發(fā)生變化，吸引轉(zhuǎn)子，令轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。
那這個(gè)電流換向的時(shí)機(jī)應(yīng)該怎么把握呢？也就是說(shuō)，我要怎么樣知道現(xiàn)在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到什么位置？知道轉(zhuǎn)子在哪我才知道要通哪兩相的電啊。
其實(shí)判斷轉(zhuǎn)子位置的方法挺多，用傳感器也行，不用傳感器也行。先說(shuō)用傳感器的，傳感器一般用霍爾傳感器（Hall Sensor）。
3.1. 用傳感器確認(rèn)轉(zhuǎn)子位置
3.1.1. 霍爾傳感器
霍爾傳感器通過霍爾效應(yīng)（Hall Effect），能檢測(cè)出磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化。根據(jù)高中物理所學(xué)的左手定則（用來(lái)判斷帶電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的受力方向），在霍爾傳感器所在的回路中，磁場(chǎng)使帶電粒子的運(yùn)動(dòng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，帶電粒子“撞到”霍爾傳感器的兩邊，產(chǎn)生電位差。這時(shí)就可以用電壓計(jì)接到霍爾傳感器的兩邊，檢測(cè)出這種電壓變化，從而檢測(cè)出磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化。原理如下圖所示。
3.1.2. 霍爾傳感器怎樣得到轉(zhuǎn)子的位置？
有了霍爾傳感器，就能大致知道轉(zhuǎn)子的位置了。霍爾傳感器一般是每隔120°安裝，或者每隔60°安裝。下面假設(shè)是每隔120°安裝的。
假設(shè)轉(zhuǎn)子N極劃過霍爾傳感器的感應(yīng)區(qū)域時(shí)，霍爾傳感器的輸出電壓為高（一般5V）。反之為低。
根據(jù)HA，HB，HC的電平，可以知道轉(zhuǎn)子所處位置的角度。比如，若HA高，HB低，HC低，我們能夠知道轉(zhuǎn)子處于180度～240度的電氣角度之間（電氣角度和實(shí)際機(jī)械角度的關(guān)系等下說(shuō)）。使用3個(gè)霍爾傳感器時(shí)，分辨率是60度的電氣角度。就是說(shuō)我只能知道現(xiàn)在轉(zhuǎn)子的位置在60°電氣角度范圍內(nèi)，但準(zhǔn)確具體多少度我們不知道。
3.1.3. 電氣角度和機(jī)械角度關(guān)系
雖然在這里插入這么個(gè)小知識(shí)有點(diǎn)怪，但我還是覺得有必要的，因?yàn)槲矣X得當(dāng)時(shí)學(xué)的時(shí)候不太好理解。在這里配合霍爾傳感器的實(shí)例說(shuō)可能好懂一點(diǎn)。
機(jī)械角度就是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)過的角度。
電氣角度和機(jī)械角度的關(guān)系與轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)有關(guān)。
因?yàn)閷?shí)際上線圈生成的磁場(chǎng)要吸引的是轉(zhuǎn)子的磁極。所以對(duì)于電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)控制來(lái)說(shuō)，我們只關(guān)心電氣角度就好。
電氣角度 = 極對(duì)數(shù) x 機(jī)械角度
3.2. 無(wú)傳感器時(shí)估計(jì)轉(zhuǎn)子位置的方法
這個(gè)坑有點(diǎn)大，這個(gè)答案就先略過了。
4. 無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向
4.1. 怎樣控制無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向？
改變電流換向的次序即可。讓線圈合成的磁場(chǎng)方向反方向旋轉(zhuǎn)起來(lái)。
4.2. 怎樣控制無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速？
線圈兩端的電壓越大，通過線圈的電流越大，生成磁場(chǎng)越強(qiáng)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)得就越快。
因?yàn)榻拥碾娫词侵绷鞯?，所以我們通常用PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制）來(lái)控制線圈兩端電壓的大小。PWM的簡(jiǎn)單原理如下。
所以給無(wú)刷直流電機(jī)通電的時(shí)候，用單片機(jī)產(chǎn)生的PWM不斷地控制FET的開合，能使線圈反復(fù)處于通電斷電，通電斷電的狀態(tài)。通電時(shí)間長(zhǎng)（Duty大），線圈兩端的等效電壓就大，產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度就強(qiáng)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)就快；通電時(shí)間短（Duty小），線圈兩端的等效電壓就小，產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度就弱，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)就慢。
PWM波形接到FET的Gate（門極）上，控制FET的開合。假設(shè)Gate上的電壓為高時(shí)，F(xiàn)ET閉合導(dǎo)通；Gate上的電壓為低時(shí)，F(xiàn)ET斷開不通電。
而且同一相上的上下兩個(gè)FET須由反相的PWM波形控制，以防止上下兩個(gè)FET同時(shí)導(dǎo)通，造成電流不通過電機(jī)而上下相同，造成短路?？刂艶ET的PWM波形如下。
尾記
綜上，無(wú)刷直流電機(jī)的關(guān)鍵有三點(diǎn)：
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(chǎn)生的磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向，從而決定了轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。
霍爾傳感器或其它手段來(lái)估計(jì)永磁體轉(zhuǎn)子所處的位置，用于決定電流什么時(shí)候換向。
使用單片機(jī)產(chǎn)生的PWM波形來(lái)控制電機(jī)繞組的通電時(shí)間，來(lái)控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。
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