无刷直流(BLDC)电机基础

2007MicrochipTechnologyInc.DS00885A_CN第1页AN885引言无刷直流（BrushlessDirectCurrent，BLDC）电机是一种正快速普及的电机类型，它可在家用电器、汽车、航空航天、消费品、医疗、工业自动化设备和仪器等行业中使用。正如名称指出的那样，BLDC电机不用电刷来换向，而是使用电子换向。BLDC电机和有刷直流电机以及感应电机相比，有许多优点。其中包括：•更好的转速－转矩特性•快速动态响应•高效率•使用寿命长•运转无噪音•较高的转速范围此外，由于输出转矩与电机体积之比更高，使之在需要着重考虑空间与重量因素的应用中，大有用武之地。在本应用笔记中，我们将详细讨论BLDC电机的构造、工作原理、特性和典型应用。描述BLDC电机时常用术语的词汇表，请参见附录B：“词汇表”。构造和工作原理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。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。三相电机昀受欢迎，使用昀普遍。本应用笔记主要讨论三相电机。定子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（如图3所示）。定子与感应电机的定子十分相似，但绕组的分布方式不同。多数BLDC电机都有三个星型连接的定子绕组。这些绕组中的每一个都是由许多线圈相互连接组成的。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，以构成均刀分布的磁极。有两种类型的定子绕组：梯形和正弦电机。以定子绕组中线圈的互连方式为依据来区分这两种电机，不同的连接方式会产生不同类型的反电动势（ElectromotiveForce，EMF）。更多信息，请参见“反电动势的定义”。正如它们的名称所示，梯形电机具有梯形的反电动势，正弦电机具有正弦形式的反电动势，如图1和图2所示。除了反电动势外，两类电机中的相电流也有梯形和正弦之分。这就使正弦电机输出的转矩比梯形电机平滑。但是，随之会带来额外的成本，这是因为正弦电机中线圈在定子圆周上的分布形式会使绕组之间有额外的互连，从而增加了耗铜量。根据控制电源的输出能力，选择定子的额定电压合适的电机。48伏或更低额定电压的电机适用于汽车、机器人和小型机械臂运动等应用。100伏或更高额定电压的电机适用于家用电器、自动化和工业应用。著者：PadmarajaYedamaleMicrochipTechnologyInc.无刷直流（BLDC）电机基础AN885DS00885A_CN第2页2007MicrochipTechnologyInc.图1：梯形反电动势图2：正弦反电动势相A-B相B-C相C-A06012018024030036060相A-B相B-C相C-A060120180240300360602007MicrochipTechnologyInc.DS00885A_CN第3页AN885图3：BLDC电机的定子冲压槽定子绕组AN885DS00885A_CN第4页2007MicrochipTechnologyInc.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。要根据转子中需要的磁场密度选择制造转子的合适磁性材料。传统使用铁氧体来制造永磁体。随着技术的进步，稀土合金磁体正越来越受欢迎。铁氧体比较便宜，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。稀土合金磁体有钕（Nd）、钐钴（SmCo）以及钕铁硼铁氧体合金（NdFeB）等。进一步提高磁通密度，缩小转子体积的研究仍在持续进行中。图4展示了转子中不同磁体排列的横截面。图4：转子磁体横截面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。多数BLDC电机在其非驱动端上的定子中嵌入了三个霍尔传感器。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。NNSSNSNNSSNNSSNS圆形铁芯，磁极分布在圆周上圆形铁芯，矩形磁极嵌在转子上圆形铁芯，矩形磁极插入转子铁芯中注：霍尔效应原理：磁场会对位于其中的带电导体内运动的电荷载流子施加一个垂直于其运动方向的力，该力会使正负电荷分别积聚到导体的两侧。这在薄而平的导体中尤为明显。电荷在导体两侧的积累会平衡磁场的影响，在导体两侧建立稳定的电势差。产生这一电势差的过程就叫做霍尔效应，由E.H.Hall在1879年发现。2007MicrochipTechnologyInc.DS00885A_CN第5页AN885图5：BLDC电机横截面图5展示了BLDC电机的横截面，转子具有相互交替的南北永磁体磁极。霍尔传感器嵌入在电机的静止部分中。将霍尔传感器嵌入定子的过程很复杂，因为这些霍尔传感器相对转子磁体的位置稍有不对齐，都会在判断转子位置时造成错误。为了简化在定子上安装霍尔传感器的过程，有些电机可能除了主转子磁体外，还在转子上安装霍尔传感器磁体，它们的体积比转子磁体小。每当转子转动时，霍尔传感器磁体就会产生和主磁体一样的效果。霍尔传感器通常装在PCB电路板上，固定在非驱动端的外壳盖上。这使得用户可以整体调整所有的霍尔传感器，以便与转子磁体对齐，从而获得昀佳性能。根据霍尔传感器的位置，有两种输出。霍尔传感器输出信号之间的相移可以是60°或120°。电机制造商据此定义控制电机时应遵循的换向顺序。霍尔传感器信号的示例和换向顺序的详细信息，请参见“换向顺序”。工作原理每次换向，都有一个绕组连到控制电源的正极（电流进入绕组），第二个绕组连到负极（电流从中流出），第三个处于失电状态。转矩是由定子线圈产生的磁场和永磁体之间的相互作用产生的。理想状态下，转矩峰值出现在两个磁场正交时，而在两磁场平行时昀弱。为了保持电机转动，由定子绕组产生的磁场应不断变换位置，因为转子会向着与定子磁场平行的方向旋转。“六步换向”定义了给绕组加电的顺序。详细信息及六步换向的示例，请参见“换向顺序”一节。转子北磁极转子南磁极定子绕组霍尔传感器霍尔传感器磁体轴的驱动端附轴注：霍尔传感器需要电源。电压范围可以是4伏到24伏。所需电流范围为5到15毫安。设计控制器时，请参见相应的电机技术规范，了解霍尔传感器所用的精确电压和电流范围。霍尔传感器的输出通常采用集电极开路类型。控制器端可能需要上拉电阻。AN885DS00885A_CN第6页2007MicrochipTechnologyInc.转矩/转速特性图6展示了转矩/转速特性的示例。有两个转矩参数用于定义BLDC电机，峰值转矩（TP）和额定转矩（TR）。（参数的完整列表请参见附录A：“典型的电机技术规范”。）连续运转时，电机的负载会增加直到达到额定转矩。如前所述，在BLDC电机中，转矩在转速达到额定值之前都保持不变。电机运转可达到的昀大转速是额定转速的150%，但从超过额定转速起转矩开始下降。那种经常带负载起动、停止和反转的电机应用需要比额定转矩更大的转矩。需要大转矩的时间通常很短，尤其是在电机从静止状态起动以及加速时。在此期间，需要额外的转矩来克服负载和电机本身的惯性。电机只要按转速转矩曲线运转，就能提供更高的转矩，昀高可达峰值转矩。要了解如何为某个应用选择这些参数，请参见“为应用选择合适的电机参数”一节。图6：转矩/转速特性额定转矩TR峰值转矩TP连续短时转矩区域转矩转速额定转速昀大转速转矩区域2007MicrochipTechnologyInc.DS00885A_CN第7页AN885将BLDC电机与其他类型的电机作比较与有刷直流电机和感应电机相比，BLDC电机有许多优点，也有一些缺点。无刷电机需要的维护较少，因此和有刷直流电机相比寿命更长。与同体积的有刷直流电机和感应电机相比，BLDC电机能产生更大的输出功率。由于转子用永磁体制成，和其他类型的电机相比，转子惯性较小。这就改进了加速和减速特性，缩短了工作周期。其线性的转速/转矩特性有助于预测转速调节的结果。使用无刷电机就无需检修电刷。在维护困难的应用以及检修空间狭小的场合，无刷电机是理想的选择。BLDC电机运行时比有刷直流电机安静得多，并且减少了电磁干扰（ElectromagneticInterference，EMI）。低电压型号对使用电池供电的应用、便携式设备或医疗应用很理想。表1对BLDC电机与有刷直流电机之间的比较进行了总结。表2比较了BLDC电机与感应电机。表1：将BLDC电机与有刷直流电机比较表2：将BLDC电机与感应电机比较特性BLDC电机有刷直流电机换向根据霍尔位置传感器进行电子换向。采用电刷换向。维护由于无电刷而较少需要。需要定期维护。寿命较长。较短。转速/转矩特性平坦——在负载额定的条件下，可在所有转速下正常工作。中等平坦——转速较高时，电刷摩擦增加，因此减少了有用转矩。效率高——没有电刷两端的压降。中等。输出功率/体积高——由于出众的散热特性而缩小了体积。由于BLDC电机将绕组放在了连接至电机外壳的定子上，因而散热更好。中等/低——电枢产生的热量散发到气隙中，这使气隙中的温度升高，限制了输出功率/体积规范。转子惯性小，因为转子上有永磁体。这改进了动态响应。较大的转子惯性限制了动态特性。转速范围较高——无电刷/换向器施加的机械限制。较低——有电刷的机械限制。产生的电子干扰低。电刷中的电弧会对附近设备产生电磁干扰。制造成本较高——由于其中有永磁体，制造成本较高。低。控制复杂且昂贵。简单且便宜。控制要求要保持电机运转，始终需要控制器。还可使用这一控制器控制转速。固定转速不需要控制器；只有需要改变转速时才需要控制器。特性BLDC电机交流感应电机转速/转矩特性平坦——在负载额定的条件，可在所有转速下正常工作。非线性——低转速下转矩也低。输出功率/体积高——由于转子采用永磁体，对于给定的输出功率可以实现较小的体积。中等——由于定子和转子都有绕组，输出功率与体积之比低于BLDC。转子惯性小——动态特性较佳。大——动态特性较差。起动电流额定值——无需专门的起动电路。大约是额定值的7倍——应谨慎选择合适的起动电路。通常使用星形－三角形起动器。控制要求要保持电机运转，始终需要控制器。还可使用这一控制器控制转速。固定转速不需要控制器；只有需要改变转速时才需要控制器。差频定子和转子磁场的频率相等。转子运行频率低于定子，差值即为差频，随着电机负载的增加该差频也增加。AN885DS00885A_CN第8页2007MicrochipTechnologyInc.换向顺序图7展示了霍尔传感器信号相对反电动势和相电流变化的示例。图8展示了按照霍尔传感器信号应遵循的切换顺序。图7上的序号对应于图8中所给的数字。每转过60个电角度，其中一个霍尔传感器就会改变状态。因此，完成电周期需要六步。在同步模式下，每转过60个电角度相电流切换一次。但是，一个电周期可能并不对应于完整的转子机械转动周期。完成一圈机械转动要重复的电周期数取决于转子磁极的对数。每对转子磁极需要完成一个电周期。因此，电周期数/转数等于转子磁极对数。图9展示了用于控制BLDC电机的控制器的框图。Q0到Q5是PIC18FXX31单片机控制的功率开关。根据电机的电压和电流额定值，这些开关可以是MOSFET或IGBT，也可以是简单的双极性晶体管。表3和表4展示了根据霍尔传感器输入A、B和C切换这些功率开关的顺序。表3用于电机的顺时针转动，表4用于电机的逆时针转动。文中以彼此之间有60度相移的霍尔传感器信号为例。正如我们之前在“霍尔传感器”一节中讨论的，霍尔传感器彼此之间的相移可以是60°或120°。在选择控制特定电机的控制器时，应遵循电机制造