无刷电机控制基础（1）——结构和驱动电路

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2022-11-09 13:05:11 795

无刷电机是指无电刷和机械换向器的电机。

我们知道，一般的有刷电机的定子是永磁体，转子是电磁铁。转子转动时，通过电刷来自动切换转子电磁铁的中的电流方向，使得转子始终受到转动力矩的作用，得以旋转起来。

而无刷电机，转子是永磁体，定子是电磁铁，使用电子换向器器来切换电磁铁中的电流方法。由于它没有机械式的电刷，所以称为无刷电机。

1）无刷电机的结构

先介绍几个概念，无刷电机的槽数和级数，槽数N指的是定子上的电磁铁极数量，极数P指的是转子上磁极的数量。

最简单的3N2P结构电机，就是定子上有三个线圈极、定子上有两个磁极的无刷电机。

3N2P型无刷电机的定子结构示意如下图：

定子有三组线圈：A、B、C，三个线圈的一端连接到公共点，另一端引出三个引线a、b、c。

在其中心放上一块作为定子的磁铁，就形成了最简单的无刷电机结构，如下图：

当然，这只是结构最简单的3槽2极电机，常用的电机为了使得转动更加平稳、转矩更大，会增加槽数和极数。线圈的连接方式，可以为星形，也可以是三角形连接。

同时，按机械结构，转子在电机的内部还是外围，又可以分为外转子电机和内转子电机。

2）无刷电机的驱动原理

了解了无刷电机的结构，那么，无刷电机是如何转动起来的呢？

我们仍然以最简单的3N2P无刷电机为例，假设初始时，我们在a端接电源正、b端接电源负、c端悬空，则A线圈产生磁场方向朝左上方，B线圈产生磁场方向朝正上方，磁场的矢量和朝左上方，转子磁铁在A、B线圈的磁场作用下，会转到图示方向：

下一时刻，我们在c端接电源正、b端接电源负、而a端悬空，则磁场矢量和朝向右上方，转子磁铁会从下图的1转到下图2中的位置：

同理，后续依次c+a-、a-b+、b+c-、c-a+、a+b-、b-c+循环加电，转子磁铁就能循环转动起来了。每经过6次切换电流，转子转动一圈。

因为三个线圈相隔120°，所以，不难得出两个线圈同时导通时，转矩为单个线圈的√3倍。

上述驱动方法中，每次导通了两个线圈，因此称为“二二导通”驱动方式；相对地还有一种三个线圈同时导通的方式，称为“三三导通”驱动方式。

例如，施加电压为 a+b-c- 的状态时，由于三个线圈都会产生磁场，则定子磁铁会转动到下图位置（N极正对A线圈）：

而且，由于A线圈中的电流等于B、C电流之和，所以总的转矩为1.5倍A线圈的转矩。

不难分析出，“三三导通”的驱动方式，也是6个步骤完成转动一圈。如我们依次按a+b-c-、a+b-c+、a-b-c+、a-b+c+、a-b+c-、a+b+c-循环控制线圈电压，则定子也能转动起来。

3）无刷电机的驱动电路

上面我们分析了如何让三相的无刷电机转动起来，实质上就是需要能对三个线圈的引出点分别加正、负电压，一般可以用如下三相六臂全桥电路来实现：

例如，在上图中导通Q1和Q4，其他都不导通，那么电流将从Q1流经U相绕组，再从V相绕组流到Q4。这样也就完成了个线圈通电，同理，依次导通Q5Q4、Q5Q2、Q3Q2、Q3Q6和Q1Q6，这也就完成了“二二导通”的6拍工作方式。

同理三相全桥也可以实现“三三导通”的控制方式。

上述全桥电路只是原理性的介绍，实际应用时，要保证控制时，不能有同一个桥臂的上下MOS管同时导通，否则会烧毁器件。我们可以先关闭上桥臂的MOS，再开启下桥臂的MOS（或者先关闭下MOS再开启上MOS）这样就避免了上下MOS同时导通的时间，错开的这个时间差，一般称为死区时间（dead time）。很多MCU输出的PWM波，都可以控制死区时间的大小，方便我们设计。

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