无刷直流电机基础

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无刷直流（BLDC）电机基础
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定义
BLDC 电机是同步电机中的一种。也就是说，定子产生的磁场与转子产生的 磁场具有相同的频率。BLDC 电机不会遇到感应电机中常见的“差频”问题。
（所谓“同步”就是电枢绕组流过电流后，将在气隙中成一旋转 磁 场，而该磁 场的旋转方向及旋转速度均与转子转向，转速相同，故为同步。）
全桥控制时，转矩的脉动比半桥时小得多，只是从0.87Tm→Tm。
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BLDC的换向控制
BLDC 电机转动时，每个绕 组都会产生叫做反电动势 （反电动势）的电压，根据 楞次定律，其方向与提供给 绕组的主电压相反。这一反 电动势的极性与励磁电压相 反。
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电机的正转与反转
顺时针转动电机的顺序
逆时针转动电机的顺序
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PWM波的生成
1.利用PWM技术，通过控制PWM信号的不同占空比，则绕组上的平均 电压可以被控制，从而控制电机的转速 2.在采用DSP或单片机时，可利用器件中的PWM产生模块生成PWM波 形。 3.根据转速要求设定占空比，然后输出6路PWM信号，加到6个功率管 上。
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PWM波的死区
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PWM控制信号调制方式
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电机速度控制的实现
转矩和转速特性
在连续工作区，电机可被加载直至额定转矩Tr。 在电机启停阶段，需要额外的力矩克服负载惯性，这时可使其短时工作在短 时工作区，只要其不超过电机峰值力矩Tp，且在特性曲线之内即可。
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电机转速控制方法
1. 在BLDC电机中，力矩正比于电流，速度正比于电压。 2. 为了使BLDC电机速度可变，必须在绕组的两端加可变电 压。 3. 在电机控制中，采用PWM的形式对绕组两端的电压进行 调节。
稀土合金磁体有钕（Nd）、钐钴（SmCo）以及钕铁硼、铁氧 体合金（NdFeB）等。
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霍尔传感器
和有刷直流电机不同，BLDC 电机的换向是以电子方式控制的。要使BLDC 电机转动，必须按一定的顺序给定子绕组通电。为了确定按照通电顺序哪一个绕 组将得电，知道转子的位置很重要。转子的位置由定子中嵌入的霍尔效应传感器 检测。
每当转子磁极经过霍尔传感器附近时，它们便会发出一个高电平或低 电平信号，表示北磁极或南磁极正经过该传感器。根据这三个霍尔传感器 信号的组合，就能决定换向的精确顺序
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BLDC 电机与其他类型的电机比较
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BLDC的半桥控制
在三相半控电路中，要求位置传感器输出信号的1/3周期为高电平， 2/3周期为低电平。在同一时刻只有一相线圈导通，这样使其效率 非常低下。
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反向电动势波形
定子绕组：梯形
定子绕组：正弦
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转子
转子用永磁体制成，可有2 到8 对磁极，南磁极和北磁 极交替排列
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定子永磁体材料
一般采用铁氧体，优点是比较便宜，但缺点是给定体积的磁通
密度低。相比之下，合金材料单位体积的磁场密度高，生成相 同转矩所需的体积小。同时，这些合金磁体能改善体积与重量 之比，比使用铁氧体磁芯的同体积电机产生的转矩更大。
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半桥控制转矩示意
电机在运行过程中，转矩的变化很大，从Tm/2→Tm，使电机的 转矩脉动很大，不适合在高精度的控制场合
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BLDC全桥控制框图
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在两两换向的情况下，其合成转矩比半桥控制增加了 3 倍，每隔60°电角 度换相一次，每个功率管导通120°，每个绕组通电240°。
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BLDC全桥控制转矩
BLDC 电机可配置为单相、两相和三相。定子绕组的数量与其类型对应。 三相电机最受欢迎，使用最普遍。
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BLDC的基本组成
BLDC电机结构框图
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构造和原理
BLDC 电机的定子由铸钢叠片组成， 绕组置于沿内部圆周轴向开凿的槽 中。
这些绕组中的每一个都是由许多线圈互组成 的。在槽中放置一个或多个线圈，并使它们 相互连接组成绕组。沿定子圆周分布这些绕 组以构成均匀布的磁极
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PWM波的概念
PWM是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，“脉冲宽度调制”，简称脉宽调制。 它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛 应用于测量分析、功率控制与变换等许多领域。一种模拟控制方式，根据相应载荷 的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管 导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。