一文了解無刷直流電機(jī)換向

無刷直流電機(jī)（或簡稱 BLDC 電機(jī)）是一種采用直流電源并通過外部電機(jī)控制器控制實(shí)現(xiàn)電子換向的電機(jī)。不同于有刷電機(jī)，BLDC 電機(jī)依靠外部控制器來實(shí)現(xiàn)換向。簡言之，換向就是切換電機(jī)各相中的電流以產(chǎn)生運(yùn)動的過程。有刷電機(jī)是指具有物理電刷的電機(jī)，其每轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)兩次換向過程，而 BLDC 電機(jī)無電刷配備，因此而得名。由于其設(shè)計(jì)特性，無刷電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)任意數(shù)量的換向磁極對。

與傳統(tǒng)有刷電機(jī)相比，BLDC 電機(jī)具有極大的優(yōu)勢。這種電機(jī)的效率通常可提高 15-20%；沒有電刷物理磨損，因而能減少維護(hù)；無論在什么額定速度下都可以獲得平坦的轉(zhuǎn)矩曲線。

雖然 BLDC 電機(jī)并不是新發(fā)明，但由于需要復(fù)雜控制和反饋電路，所以廣泛采用的進(jìn)展較為緩慢。然而，由于近期半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展、永磁體品質(zhì)提升，以及對更高效率不斷增長的需求，促使 BLDC 電機(jī)在大量應(yīng)用中取代了有刷電機(jī)。BLDC 電機(jī)在許多行業(yè)找到了市場定位，包括白色家電、汽車、航空航天、消費(fèi)、醫(yī)療、工業(yè)化自動設(shè)備和儀器儀表等。

隨著行業(yè)朝著需要在更多應(yīng)用中使用 BLDC 電機(jī)的方向發(fā)展，許多工程師不得不將目光投向該技術(shù)。雖然電機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)要素仍然適用，但添加外部控制電路也增加了另一系列需考慮的設(shè)計(jì)事項(xiàng)。在諸多設(shè)計(jì)問題中，重要的一點(diǎn)是如何獲取電機(jī)換向的反饋。

電機(jī)換向

在深入探索 BLDC 電機(jī)反饋選項(xiàng)之前，先了解為什么需要它們至關(guān)重要。BLDC 電機(jī)可配置為單相、兩相和三相；其中常用的配置為三相。相數(shù)與定子繞組數(shù)相匹配，而轉(zhuǎn)子磁極數(shù)根據(jù)應(yīng)用需求的不同可以是任意數(shù)量。

因?yàn)?BLDC 電機(jī)的轉(zhuǎn)子受旋轉(zhuǎn)的定子磁極影響，所以須追蹤定子磁極位置，以有效驅(qū)動三個(gè)電機(jī)相。為此，需使用電機(jī)控制器在三個(gè)電機(jī)相上生成六步換向模式。這六步（或換向相）移動電磁場，進(jìn)而使轉(zhuǎn)子永磁體移動電機(jī)軸。

圖1：BLDC 電機(jī)六步換向模式

通過采用這種標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)換向序列，電機(jī)控制器即可利用高頻率脈寬調(diào)制 (PWM) 信號，有效降低電機(jī)承受的平均電壓，從而改變電機(jī)速度。

除此之外，這種設(shè)置通過讓一個(gè)電壓源用于各種各樣的電機(jī)，大大提升了設(shè)計(jì)靈活性，即使直流電壓源大大高出電機(jī)額定電壓的情況也不例外。為了讓此系統(tǒng)保持相對于有刷技術(shù)的效率優(yōu)勢，在電機(jī)和控制器之間需要安裝非常嚴(yán)格的控制回路。

反饋技術(shù)的重要性就體現(xiàn)在這里；控制器要能保持對電機(jī)的控制，它必須始終掌握定子相對于轉(zhuǎn)子的確切位置。預(yù)期和實(shí)際位置出現(xiàn)任何非對準(zhǔn)或相移可能會導(dǎo)致意想不到的情況及性能下降。針對 BLDC 電機(jī)換向可采用許多方式來實(shí)現(xiàn)這種反饋，不過常見的方式是使用霍爾效應(yīng)傳感器、編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器。另外，某些應(yīng)用也會依靠無傳感器換向技術(shù)來實(shí)現(xiàn)反饋。

位置反饋

自無刷電機(jī)誕生以來，霍爾效應(yīng)傳感器一直是實(shí)現(xiàn)換向反饋的主力。因三相控制僅需要三個(gè)傳感器且單位成本較低，所以單純從 BOM 成本角度來看，它們往往是實(shí)現(xiàn)換向經(jīng)濟(jì)的選擇。

電機(jī)定子中嵌入了檢測轉(zhuǎn)子位置的霍爾效應(yīng)傳感器，這樣就可以切換三相電橋中的晶體管來驅(qū)動電機(jī)。三個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器輸出一般標(biāo)記為 U、V 和 W 通道。雖然霍爾效應(yīng)傳感器能夠有效解決 BLDC 電機(jī)換向問題，但它們僅僅滿足了 BLDC 系統(tǒng)一半所需。

圖2：三相橋式驅(qū)動器電路

雖然霍爾效應(yīng)傳感器能使控制器驅(qū)動 BLDC 電機(jī)，但遺憾的是，其控制僅限于速度和方向。在三相電機(jī)中，霍爾效應(yīng)傳感器只能在每個(gè)電循環(huán)內(nèi)供角度位置。

隨著磁極對數(shù)量的增加，每次機(jī)械轉(zhuǎn)動的電循環(huán)數(shù)量也增加，而且隨著 BLDC 的使用變得更加普及，對位置傳感的需求也由此增加。為確保解決方案穩(wěn)健且完整，BLDC 系統(tǒng)應(yīng)提供實(shí)時(shí)位置信息，從而使得控制器不僅可以追蹤速度和方向，還可以追蹤行程距離和角度位置。

為滿足對更嚴(yán)格位置信息的需求，常用的解決方案是向 BLDC 電機(jī)添加增量式旋轉(zhuǎn)編碼器。通常，除霍爾效應(yīng)傳感器之外，還會在相同的控制反饋回路系統(tǒng)中添加增量編碼器。

其中霍爾效應(yīng)傳感器用于電機(jī)換向，而編碼器則用于更加地追蹤位置、旋轉(zhuǎn)、速度和方向。由于霍爾效應(yīng)傳感器僅在每個(gè)霍爾狀態(tài)變化時(shí)提供新的位置信息，所以其只達(dá)到每一電力循環(huán)六個(gè)狀態(tài)；

而對雙極電機(jī)而言，僅為每一機(jī)械循環(huán)六個(gè)狀態(tài)。與能提供分辨率以數(shù)千 PPR（每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)）計(jì)的增量編碼器（可解碼為狀態(tài)變化次數(shù)的四倍）相比，兩者均需的必要性就顯而易見了。

圖3：六步霍爾效應(yīng)輸出和梯形電機(jī)相位

然而，由于電機(jī)制造商目前必須將霍爾效應(yīng)傳感器和增量編碼器都組裝到他們的電機(jī)上，所以許多編碼器制造商開始提供具有換向輸出的增量編碼器，通常我們簡稱為換向編碼器。

這些編碼器經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，不僅可以提供傳統(tǒng)的正交 A 和 B 通道（以及某些情況下“每轉(zhuǎn)”的索引脈沖通道 Z），還可以提供大多數(shù) BLDC 電機(jī)驅(qū)動器所需的標(biāo)準(zhǔn) U、V 和 W 換向信號。這樣一來，電機(jī)設(shè)計(jì)師就可以省掉同時(shí)安裝霍爾效應(yīng)傳感器和增量編碼器的不必要步驟。

盡管該方法所具有的優(yōu)勢有目共睹，但此方法也做了很大的折衷。如上文所述，為使 BLDC 電機(jī)有效換向，必須掌握轉(zhuǎn)子和定子的位置。這意味著必須小心謹(jǐn)慎地確保換向編碼器的 U/V/W 通道與 BLDC 電機(jī)相位正確對準(zhǔn)。

對于光盤上具有固定圖案的光學(xué)編碼器以及必須手動放置的霍爾效應(yīng)傳感器而言，實(shí)現(xiàn) BLDC 電機(jī)正確對準(zhǔn)的過程既反復(fù)、又耗時(shí)。對準(zhǔn)方法還需要額外的設(shè)備，包括第二個(gè)電機(jī)和一個(gè)示波器。要對準(zhǔn)一個(gè)光學(xué)編碼器或一組霍爾效應(yīng)傳感器，必須使用第二個(gè)電機(jī)來反向驅(qū)動 BLDC 電機(jī)；

然后，當(dāng)電機(jī)在第二個(gè)電機(jī)的作用下勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)，使用示波器監(jiān)控三個(gè)電機(jī)相的反電動勢（也稱之為逆電動勢或反電勢）。編碼器或霍爾效應(yīng)傳感器隨后發(fā)出的 U/V/W 信號必須同示波器上的反電動勢波形進(jìn)行對照檢查。

如果 U/V/W 通道和反電動勢波形之間有任何差異，則必須進(jìn)行相位調(diào)整。這個(gè)過程中，每臺電機(jī)將耗費(fèi) 20 多分鐘的時(shí)間，并且需要大量的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備進(jìn)行操作，因此是使用 BLDC 電機(jī)的主要煩惱。雖然光學(xué)換向編碼器通過僅安裝一項(xiàng)技術(shù)而解決了安裝負(fù)擔(dān)，但光學(xué)換向編碼器的實(shí)施也具有缺乏多功能性的缺點(diǎn)。

因?yàn)楣鈱W(xué)編碼器使用其光盤中的固定圖案，所以購買之前，電機(jī)磁極數(shù)、正交分辨率和電機(jī)軸的尺寸等都必須掌握清楚。

圖4：換向通道和電機(jī)相位理想對準(zhǔn)