无刷直流电机结构.docx

1、无刷直流电机结构无刷直流电机结构作者： 日期：1.磁回路分析法图1-4 （摘自 Freescale PZ104文档）在图 1-4中，当两头的线圈通上电流时，根据右手螺旋定则，会产生方向指向右的外加磁感应强度 B（如粗箭头方向所示），而中间的转子会尽量使自己内部的磁力线方向与外磁力线方向保持一致，以形成一个最 短闭合磁力线回路，这样内转子就会按顺时针方向旋转了。“当转子磁场方向与外部磁场方向垂直时，转子所受的转动力矩最大 ”。注意这里说的是 “力矩 ”最大， 而不是 “力”最大。诚然，在转子磁场与外部磁场方向一致时，转子所受磁力最大，但此时转子呈水平状态， 力臂为 0 ，当然也就不会转动了。当转

2、子转到水平位置时，虽然不再受到转动力矩的作用，但由于惯性原因，还会继续顺时针转动，这时若改变两头螺线管的电流方向，如下图所示，转子就会继续顺时针向前转动，见图 1-5所示：图1-5 （摘自 Freescale PZ104文档） 如此不断改变两头螺线管的电流方向，内转子就会不停转起来了。改变电流方向的这一动作，就叫做 换相（ commutation ）。注意：何时换相只与转子的位置有关，而与转速无关。 以上是两相两级无刷电机的工作原理， ，下面我们来看三相两极无刷电机的构造。2.三相星形联结的二二导通方式 ”最常用。三相二极内转子电机结构定子三相绕组有星形联结方式和三角联结方式，而图1-6 (修

3、改自 Freescale PZ104文档)图1-6显示了定子绕组的联结方式(转子未画出)，三个绕组通过中心的连接点以 “Y ”型的方式被联结在一起。整个电机就引出三根线 A, B, C 。当它们之间两两通电时， 有6种情况， 分别是 AB, AC, BC, BA, CA, CB 图1-7(a)(f) 分别描述了这 6种情况下每个通电线圈产生的磁感应强度的方向(红、兰色表示)和两个线圈的 合成磁感应强度方向(绿色表示)。在图(a)中， AB 相通电，中间的转子(图中未画出)会尽量往绿色箭头方向对齐，当转子到达图 (a)中绿色箭头位置时，外线圈换相，改成 AC 相通电，这时转子会继续运动，并尽量往

4、图 (b)中的绿色箭头处对齐，当转 子到达图 (b)中箭头位置时，外线圈再次换相，改成 BC相通电，再往后以此类推。当外线圈完成 6次换相后， 内转子正好旋转一周(即 360)。再次重申一下：何时换相只与转子位置有关，而与转速无关。图 1-8 中画出了换相前和换相后合成磁场方向的比较与转子位置的变化。一般来说，换相时，转子应 该处于，比与新的合成磁力线方向垂直的位置不到一点的钝角位置，这样可以使产生最大的转矩的垂直位 置正好处于本次通电的中间时刻。3.三相多绕组多极内转子电机的结构 搞清了最简单的三相三绕组二极电机，我们再来看一个复杂点的，图 1-9(a)是一个三相 九绕组六极(三对极)内转子

5、电机，它的绕组连线方式见图 1-9(b) 。从图 (b)可见，其三相绕组也是在中间点连接在一起的极的数量是不一致的（比如用 子的磁钢相吸而对齐，产生类似步进电机的效果也属于星形联结方式。 一般而言， 电机的绕组数量都和永磁 9绕组 6极，而不是 6绕组6极），这样是为了防止定子的齿与转 此种情况下转矩会产生很大波动。图1-10 某 2相通电时的转子磁极和定子磁极对齐运动的最终位置1.4 无刷直流电机转矩的理论分析1. 传统的无刷电机绕组结构图 1-16 磁场中的线圈 图 1-17 电机绕组和转子抽象示意图 图 1-17 中为简略示意起见，每相只画出了一个线圈，其实每相应该有 N 匝线圈。其绕组

6、联结方式为： A 、 B、C端通过星形联结在一起， A、B、C 为电机的三根引出线。 无刷直流电机定子绕组结构如下：2. 转子磁场的分布情况图 1-19 展示了内转子磁极的磁感应强度 B 的分布情况。 我们预定义磁感应强度方向向外为正， 从图中 可以看出，在 0的时候，处于正反方向交界处，磁感应强度为零，然后开始线性增加，在 A 点时达到最大，然后一直保持恒定值不变，直到 B 点开始下降，到 180的时候下降到零。然后开始负向增长，在 C点处达到负值最大，然后保持恒定负值不变，直到 D 点强度开始减弱，到 0时又回到零。至于 A 点到底在几度的位置， 不同的电机不一样。 如果 A 非常接近 0

7、的位置， 上升和下降直线就会 非常陡峭，“梯形波”就变成了“方波”。根据右手定则 E=BLV 的公式，在匀速转动下， 各绕组产生的反电动势波形也呈梯形波 /方波。 解释“梯形波 /方波”是什么意思图 1-19 转子磁感应强度分布情况与此类似，上文提到的另一种“正弦波”电机就是一种磁感应强度呈正弦波图形分布的直流无刷电机，也叫永磁同步电机。这种电机的绕组结构和我们的梯形波电机的绕组结构不太相同，进而驱动方式也不太相 同，需要用到矢量分析法， 由于本文只关注于梯形波的无刷直流电机，故对这种正弦波电机不展开讨论了3、转子的受力分析在图 1-20(a)中， AB 相通电，电流处于转子产生的磁场内，根据

8、左手定则，我们判断线圈 AA 中的上半部导线 A 受到一个顺时针方向的电磁力，而 AA的下半部导线 A也受到一个顺时针方向的电磁力。由于线圈 绕组在定子上，定子是固定不动的，故根据作用力与反作用力，定子绕组 AA会施加给转子一个逆时针方向的反作用力，转子在这个力的作用下，就转起来了。同理，与 AA 的情况类似， BB 也会对转子产生一个逆时针的反作用力。当转子逆时针转过 60后，到达图 1-20(b) 的位置，这时线圈 BB已经到达转子磁极的边缘位置了，再转下去就要产生反方向的力了，所以这时就要换相，换成 AC相通电，见图 1-20(c) 。这样，每过 60换相通电，转子就可以一直转下去了。(

9、a) AB相通电(b) 转过 60(e) BC 相通电(c) AC相通电(d) 转过 60(f) 转过 60(g) BA 相通电(h) 转过 60(i) CA 相通电(j) 转过 60(k) CB 相通电(l) 转过 604.一种近似分析模型N匝线圈现都简化成了一现仍以新西达 2212电机为例，为了方便说明问题，每个绕组的个，而且我们对所有绕组和磁极都做一了个编号，见图 1-22。AB 相通电时， A1-1导线处在 N极下，根据左手定则，受到一个顺时针方向的作用力，即同时施加给转子一个逆时针方向的反作用力。同时， A1-2 导线处于 S极下，但电流方向与A1-1 相反，所以还是会施加给转子一个

10、逆时针方向的作用力。图1-22 新西达 2212电机 AB 相通电时情形1.5 换相与调速1. 换相基本原理(1) 转子位置与过零检测前面已经唧唧歪歪过很多遍了， 换相的时机只取决于转子的位置， 那顺理成章的问题就 是：转子的位置怎么测？一种比较简单的方式是用光电编码盘， 这个东西在工业上用得比较多。 不过由于其价格 比较贵，而且还要接联轴器等一堆乱七八糟的东西， 分量也不轻， 显然不适合我们做四轴用。图1-23一种 4位二进制编码盘霍耳效应测量器件可以根据转子不同位置时的不同磁场方向分布情况，而给出 1或0的输出，一般在电机的不同位置上装三个霍尔传感器，就可测出转子的位置。这就是所谓的 “有

11、感无刷电机的驱动 ”。接下来 就是我们本文要主讲的 “无感 ”测量方式。无传感器怎么测量？答：利用第三相的感生电动势。无感驱动方 式的优点在于省略了三个霍尔传感器，整套系统分量更轻，结构更简单。回过头再去看图 1-20，先看图 (a)和图(b)，在AB通电期间，你会发现线圈 CC的C边在图 (a)中切割 N极的磁力线并产生一个正向的感生电动 势，在图 (b) 中确是切割 S极的磁力线而产生一个反向的感生电动势了； C边的情况也类似。(这里我们定义：在转子逆时针旋转时， C边切割 N极磁力线和 C边切割 S极磁力线产生的感生电动势为正； AA和 BB也用类似的定义)。这说明，在 AB 相通电期间

12、，如果我们去测量线圈 CC上的电压，会发现其间有一个从 正到负的变化过程。与此类似，图 (c) 图(l)中的情况也可以用相同的方法分析出来，如图 1-24所示(图在下页)。这里需要说明一下的是，在 AB 相通电期间，不只是线圈 CC上产生感生电动势，其实 AA和BB也在 切割磁力线，也都会产生感生电动势，其电动势方向与外加的 12V 电源相反，所以叫 “反向感生电动势 ” (BEMF )。其等效电路图见图 1-25。图1-25 AB相通电期间线圈 AA和BB的等效电路图 1-24 六种通电情形下各绕组的电流和感生电动势 从图 1-25可以看出，线圈绕组 AA和BB上产生的反电动势是很大的，两个

13、加起来几乎略小于 12V 。为什么呢，因为线圈绕组本身的等效电阻很小(约 0.1欧左右)，如果反电动势不大的话，端电压加载在线圈绕组 等效电阻上，会产生巨大的电流，线圈非烧掉不可。为方便理解，我们姑且假设在额定转速下 AA和 BB各产生 5.7V 的反电动势，那么它们串联起来就产生 11.4V的反电动势，结合图 1-25看，那么加载在等效电阻上的电压就为 V，最终通过绕组 AB 的电流就是 1211.40.6-=0.6/(20.1)3 ，=A看来这个假设还是比较合理的。 同理，由于各绕组的结构是相同的，切割磁力线的速度也是相同的，所以线圈 CC也应该会产生一个大小约为5.7V的感生电动势； 不

14、同的是：在AB相通电期间， CC的感生电动势会整个换一个方向， 也即所谓的 “过 零点 ”。在图1-24的t0时刻(即图1-20(a)的位置) ，为AB相通电刚开始时的情况， CC产生的感生电动势的等效 电路图如图 1-26(a)所示；而在图 1-24的 t1时刻(即图 1-20(b)的位置)，为 AB相通电快结束时的情况， CC 产生的感生电动势的等效电路图如图 1-26(b) 所示。(a) t0时刻的等效电路图 (b) t1 时刻的等效电路图 图1-26 AB相通电期间 CC的感生电动势 由于中点电势值始终为 6V，CC的线圈产生的感生电动势只能在以中点 6V 电势为基准点的基础上叠加，

15、仍旧假设在额定转速下 CC上会产生 5.7V 的感生电动势，那么在 t0时刻，如果我们去测量 C点的电压，其值 应为65.711.7+=V ；在t1时刻， C点的电压值应为。 6-5.7=0.3V也就是说，在 AB相通电期间，只要一直监测 电机的 C引线的电压，一旦发现它低于 6V ，就说明转子已转过 30到达了 t0和t1中间的位置，只要再等 30 就可以换相了。如果电调的 MCU 足够快的话，可以采用连续 AD采样的方式来测量 C点电压，不过貌似有点 浪费，因为大部分采到的 AD 值都是没用的，我们只关心它什么时候低于 6V。这时候模拟比较器的作用就来了，它天生就是干这个活的料。比较器的联

16、结电路图见图 1-27。一旦 C相输出电压低于 6V ，比较器马上可以感知并在输出端给出一个下降沿。同理，当电机处于 AC 相通电时，监测的是 B相输出电压；当电机处于BC 相通电时，监测的是 A相输出电压。继续往前，当电机开始进入 BA相通电时， C相输出电压一开始会处于一个较低的状态( 0.3V )，过零事件发生时， C相输出电压会超过 6V，也就是说，这时比较器会感知并 输出一个上跳沿。接下来的 CA， CB相通电情况也类似，不再赘述。可能有人会说，这可是 15V 的比较器哪，单片机自带的比较器一般只支持最高 5V的比较啊。事实上，上面这个电路图只是为了方便说明问题，在真正的实用中，会对

17、 C相输出电压和 6V 中点电压再加个分压电 路，而且中点电压也不总是等于 6V ，这个留待第二章再作详细分析。(2) 换相策略 另一个问题是，就算检测到了 C相的过零点，那还要等转子转过 30才可以换相，转这剩下的 30究 竟要花多少时间？一种比较简单的做法是近似认为转子转速在这 060的小范围区间内基本是恒定的：从 AB 相开始通电到检测出 C相过零的前半段时间，基本等于后半段的时间。所以只要记录下前半段的时间间隔 T1，等过零事件出现后再等待相同的时间，就可以换相了。另一种比较暴力的做法是检测到过零事件后，也不再 等转子再转 30了，立马就换相，事实上德国 MK 项目的 BL-Ctrl

18、电调程序就是这么干的。我们来看看这样 做会有什么后果：图1-28(a)同图1-20(a)，为AB刚开始通电时的情况。 转过30后，到达图(b)的位置时， 检测到C相过零， 如果此时立刻换相为 AC 导通，将成为图 (c)的状态。这时， CC线圈还处于 NS极的交界处，此时穿过 CC的 磁感应强度为零， CC上将不产生电磁力。 也就是说此时只有线圈 AA在出力， CC处于出工不出力的状态。 不过这个情况只是瞬时的，只要转子稍微向前再转一点，穿过 C和C的磁感应强度就会开始增加， CC就会开始出力。回忆一下图 1-19 ，如果梯形波电机工艺做得比较好，磁感应强度上升和下降直线比较陡峭的话， 穿过

19、CC的磁感应强度将很快达到最大值，期间损失的效率很小。如果电机的工艺做得一般般，上升和下 降直线比较平缓的话，就会多损失一点效率，电机输出转矩的波动也会大一点。接着往下看，当转子继续 转过 30到达图 (d)的位置时，一切都好，相安无事。当转子再转过 30到达图 (e)的位置时，会检测到 B相的过零事件，此时如果立刻换相成 BC相通电，将成为图 (f) 的状态，刚导通的 BB线圈照例会处于 “星期一综 合症 ”的状态，效率很低、出工不出力，要再过一会儿才能进入最佳工作状态。综上所述，暴力换相的方法也是可以用的，只不过损失一点效率。除了首次换相是间隔 30外，以后的每次的换相间隔也都是 60，转

20、子旋转一周也是换 6次相。如果有时间的话，我会做一个测试实验，比较 采用以上两种不同换相策略时的电机功耗情况，测试结果将放于后续附录中。(e) 转过30 (f) BC 相通电图1-28 暴力换相时各情景的分析3. 调速无刷直流电机， 无论其换相模式多么复杂，一些控制方式和交流同步电机多么相似， 但从本质上来讲， 还是属于直流电机。只不过将原来有刷直流电机的机械换向器，改成了现在的电子换相器。直流电机怎么调速？当然是用直流电压来控制。电压越高，转得越快；电压越低，转得越慢。不过遗 憾的是，单片机并不能输出可调的直流电压，于是只好变通一下，用脉宽调制( PWM )方式来控制电机的 输入电压。 PW

21、M 占空比越高，等效电压就越高，占空比越低，等效电压就越低。当然， 单片机给出的 PWM 波形只是控制信号， 而且最高电压也只有 5V ，其能量并不足以驱动无刷直流 电机，所以必须要再接一个功率管来驱动电机。功率管可以是 MOSFET （场效应管） ，也可以是 IGBT （绝缘栅双极晶体管） 。关于驱动电路的结构，我们将在下一章详细讲述。2. 无感无刷电调的驱动电路设计2.1 电池电压监测电路图 2-1 电池电压监测电路图2-1 是一个电阻分压网络， 其中 VCC 接电源锂电池的正极， GND 接电源锂电池负极， U_BA T接 MEGA8 的 ADC7 通道， 电容 C17 用来消除电源中的

22、一些高频波纹的影响。 一节标准锂电池的电压为 3.7V ，一般航 模用锂电池都是三节串联， 也就是 11.1V 。若电池即将用尽， VCC 会下降，相应的 U_BAT 测得的电压也会 下降。不过在 MK 项目的电调程序 V0.41 版本中，作者把监控电压的工作放在了主控板上，所以在整个电 调程序中没有任何测量 ADC7 通道的代码，本模块基本属于鸡肋。2.2 换相控制电路 换相控制电路主要由 6 个功率场效应管和一些外围电阻和三极管构成，虽然原理不复杂，但涉及到的 相关知识还是蛮多的，所以要分几个部分讲。1. 六臂全桥驱动电路原理为了清楚地说明问题，我们先将原图作一些简化图 2-2 六臂全桥式

23、驱动电路Q1到Q6为功率场效应管，当需要 AB相导通时，只需要打开 Q1, Q4管，而使 其他管保持截止。此时，电流的流经途径为：正极 Q1线圈 A绕组 BQ4 负极。这样，六种相位导通模式： AB, AC, BC, BA, CA, CB 分别对应的场效应管 打开顺序为 Q1Q4, Q2Q2, Q3Q2, Q3Q6, Q5Q6, Q5Q4。Q1Q6的每个场效应管旁 边还并联着一个二极管， 这是干什么用的， 画蛇添足的设计么？非也。 我们在第 一章曾经提到，无刷直流电机的调速是用 PWM 波形的占空比来调，图 2-2中，采 用的是H_PWM-L_ON 方式来驱动的，也就是上臂采用 PWM信号控制

24、，而下臂 常开的一种驱动方式。 比如在AB相导通时，单片机给 Q1的栅极是PWM信号，而 给 Q4的栅极是常开信号， 这样你就可以通过控制 Q1输入端的 PWM 信号占空比来 控制驱动电机的有效电压。此时 A端和 B端的电压波形如图 2-3的圆圈中所示（我 们等会儿再讲 C相电压是怎么回事）。现在问题来了， A 相的电压是可以突变的， 但是由于电感的作用， 流经AB 线圈的电流是不能突变的。 你不给人家一条活路， 人家是要造反的，这里所谓的造反就是线圈由于自身电感的作用产生极高的瞬时 反电动势（回忆一下： diULdt= ）而击穿元器件。所以这时候二极管的作用就来 啦，在 PWM信号的低电平期

25、间，电流是按照图 2-4所示的箭头路径续流的。由于 负极端电位强制为零，二极管有一个正向压降， A 点的电压就可以在瞬间 降到比 零略小的值，与图 2-3的实验结果相吻合。图 2-3 各相电压波形图 2-4 AB 相续流期间电流方向由于 A 点电位忽上忽下的变化， 会导致 ABC 线圈的中点电位也会忽上忽下的变化 （中 点电位总是等于 A 点和 B 点电位的平均值） ，我们来看看这样会对我们采样 C 点的反电动 势有什么影响。当 PWM 处于高电平期间， A 点的电压值接近 12V ，中点的电压值接近 6V， 根据我们在第一章的分析， C 线圈产生的感生电动势叠加在中点上，会在 C 点产生接近

26、于 12V 的电压值。然后 PWM 进入低电平期间， A 点电位迅速降到略小于零，中点电位也会迅 速降到略小于零，这时 C 线圈的感生电动势就会以零为基点往上叠加，此时 C 点的电压就 是略小于 6V ，这个也可以在图 2-3中得到验证。 虽然 C点电压向下穿越了 6V，但是回忆一 下比较器的结构（见图 2-5 ），由于中点电压和 C 点电压同时降低和升高，所以不管中点电 位如何变化，只要 C 线圈本身的感生电动势不过零，比较器输出就不会产生跳变。有人也 许会问， 这个悬浮的中点电压是怎么测得的呢， 又不能从中点引根线出来。 其实这是通过一 个设计很巧妙的分压电路根据 A 点和 B 点的电压值

27、估计出来的，这个放到下面的“反电势 过零点检测电路”一小节详讲。图 2-5 比较器电路图 随着转子继续旋转， C 线圈的感生电动势终将由正变负，而被比较器给感知到。至于图 2-3 的波形图中为什么没有 C 电压为负值的点， 因为 C 端电压如果负得太厉害， Q2 的二极管就 会导通，而将 C 端电位钳制在 -1V 左右。 C 点理想的电压波形我想应该是这样的：图 2-6 C 点电压波形2. 功率场效应管的选择(1) N 型和 P 型 MOSFET上面的图 2-2 电路图对于理解换相原理来说， 是可以用的， 但在实际的电路中， 是不能用的。 为什么呢？问题于 N 型场效应管的门限开启电压 VGS。先来复习一下场效应管的基本知识，图 2-7(a) 是一个 N 沟道型场效应管，图 2-7(b)是一个 P 沟道型场效应管。 N 沟道场效应管有点类似于 NPN 三极管，只要栅源极间加一个正向 电压，并且其值超过数据手册上的阈值电压时，场效应管的 D 极和 S 极就会导通。一般 N 型功率型场效应管的 V GS阈值电压都会在 320V 之间。图 2-7 N 型和 P 型场效应管