無刷直流電機(jī)調(diào)速方法

　　電機(jī)，存在于我們生活中的方方面面。小到玩具車幾毛錢成本的小馬達(dá)，大到汽車高鐵上百馬力甚至輪船航母上萬馬力的電動(dòng)機(jī)。電機(jī)可以起到電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的作用，發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)均被稱作電機(jī)。除了太陽能電站和電池外，剩下的發(fā)電設(shè)施都要用到電機(jī)。泵的工作，機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)和機(jī)床工作等等，消耗掉了發(fā)電站發(fā)出來的絕大部分的電能。

　　直流電機(jī)是應(yīng)用很早的電機(jī)。通電線圈在電機(jī)內(nèi)永磁體或勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的磁場作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于極對(duì)數(shù)為一，即含有一對(duì)磁極的電機(jī)來說，極間距為180°，而早期直流電機(jī)轉(zhuǎn)子為通電線圈，每半圈電流要進(jìn)行一次換向。故出現(xiàn)了換向器和電刷。由于二者每半圈就要重新接觸一次，所以會(huì)產(chǎn)生電火花。換向器工藝復(fù)雜，所以電刷采用石墨材料已減少磨損成本。一段時(shí)間既要換一次電刷。所以直流電機(jī)不僅應(yīng)用場合極為受限，不能用在易燃易爆等場所，維護(hù)也很麻煩成本很高。

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　　那么，能不能將永磁體作為轉(zhuǎn)子，而把須通電的線圈作為定子呢？這樣即可解決換電刷的煩惱，也能避免電火花的產(chǎn)生。其實(shí)，目前的一種新型特種電機(jī)——無刷直流電機(jī)（BLDC），就采用了這種結(jié)構(gòu)。說是直流電機(jī)，但事實(shí)上并不算是直流電機(jī)。大體思路是通過控制線圈通電的順序，對(duì)向線圈分到一組，同時(shí)通電流，使之產(chǎn)生相同方向的磁場。以三相BLDC為例，該電機(jī)極對(duì)數(shù)為三，讓每對(duì)“磁極”分別按一定順序?qū)?，達(dá)到相當(dāng)于磁場轉(zhuǎn)起來的效果。中間的永磁體轉(zhuǎn)子在磁場作用下總是有保持磁場方向相同的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，便會(huì)“跟隨”轉(zhuǎn)動(dòng)的磁場轉(zhuǎn)動(dòng)。相當(dāng)于不斷改變通電順序來達(dá)到使定子“轉(zhuǎn)”起來的目的。

　　讓三個(gè)線圈按順序通斷需要采用一定的控制策略。圖中H1\H2\H3為三個(gè)安放在勵(lì)磁線圈氣隙處的Hall傳感器，作為檢測(cè)磁場的元器件，可以根據(jù)磁場方向變換電壓，其輸出為數(shù)字信號(hào)。舉個(gè)例子，如果傳感器面臨的是N極則輸出高電平即邏輯信號(hào)‘1’，反之則輸出‘0’。這樣，三個(gè)Hall傳感器的輸出信號(hào)按一定順序排列，其中必有兩位是‘1’一位是‘0’，我們便可以根據(jù)返回的三位二進(jìn)制數(shù)字來判斷轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。

　　而采用三相雖然控制上比兩相困難，但不需要進(jìn)行死區(qū)判斷。因?yàn)橹灰姡琀all傳感器即會(huì)返回當(dāng)前轉(zhuǎn)子的狀態(tài)，而根據(jù)這個(gè)狀態(tài)，按照下一時(shí)序?qū)Χㄗ泳€圈進(jìn)行通電，轉(zhuǎn)子磁場和定子磁場一定有夾角，其一定會(huì)轉(zhuǎn)起來。這樣，無需判斷電機(jī)是否為剛啟動(dòng)的狀態(tài)，只需要按照Hall傳感器發(fā)回的工作狀態(tài)執(zhí)行下一步的命令即可。其發(fā)出的命令就是三對(duì)線圈的通斷，理論上可以通過三個(gè)開關(guān)控制。實(shí)際上這些開關(guān)是通過三極管來實(shí)現(xiàn)的。所以只需要按照一定順序給三對(duì)三極管通電或斷電即可實(shí)現(xiàn)三相BLDC的轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　難道無刷直流電機(jī)一定要連八根線嗎？沒有Hall傳感器就不能工作了嗎？其實(shí)不是的。我們知道定子是一塊永磁體，它在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它所產(chǎn)生的磁場也在轉(zhuǎn)動(dòng)。這種轉(zhuǎn)動(dòng)的磁場相對(duì)于定子線圈是運(yùn)動(dòng)的，變化的磁場會(huì)在定子線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，被稱為反電動(dòng)勢(shì)。轉(zhuǎn)子在不同位置轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，三相線圈產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)也不盡相同。所以我們只需測(cè)出反電動(dòng)勢(shì)的某種狀態(tài)即可得知定子的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。

　　隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，每一線圈的感應(yīng)電勢(shì)都從最高到零再到反向。因?yàn)楫?dāng)線圈通電反向后，反電動(dòng)勢(shì)會(huì)阻礙電壓的反向，所以會(huì)出現(xiàn)梯形波部分。這個(gè)梯形部分的零點(diǎn)正反部分電壓方向相反，所以經(jīng)過電壓比較器后檢測(cè)電壓正負(fù)即可判斷電機(jī)定子的工作狀態(tài)。由于零點(diǎn)處于梯形中點(diǎn)，所以延遲30°再輸出相應(yīng)時(shí)序的控制信號(hào)即可控制BLDC的轉(zhuǎn)動(dòng)。這種控制方式不需要Hall傳感器，三根線即可驅(qū)動(dòng)BLDC。其實(shí)小編猜想如果這個(gè)波形相對(duì)理想，直接對(duì)電壓進(jìn)行積分即可獲得三組線圈電壓的曲線。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。

　　那么啟動(dòng)時(shí)候沒有形成這種動(dòng)態(tài)的過程，怎么辦呢？其實(shí)只需要確定一個(gè)啟動(dòng)方向，先對(duì)該方向下線圈通電（低壓最好），使轉(zhuǎn)子短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)到這個(gè)啟動(dòng)位置，這樣按照接下來的時(shí)序動(dòng)作進(jìn)行通電，即可使電機(jī)轉(zhuǎn)起來。

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　　無刷直流電機(jī)既具有直流電機(jī)良好的調(diào)速性能等特點(diǎn)，又具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、無換向火花、運(yùn)行可靠和易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。在克服無刷直流電機(jī)控制成本高的困難之后，相信該電機(jī)會(huì)很得到更廣泛的應(yīng)用。逐漸取代直流電機(jī)。

　　直流無刷電機(jī)是如何實(shí)現(xiàn)調(diào)速的

　　直流無刷電機(jī)沒有電刷磨損，維護(hù)相對(duì)簡單，較有刷可靠，但需加裝驅(qū)動(dòng)（換向）電路。

　　直流無刷電機(jī)的調(diào)速方式第一種情況是：主要靠電壓來控制，力矩主要由電流來控制，一般會(huì)帶一個(gè)配套的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，改變驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓 就可以控制電機(jī)的速度，如果沒有驅(qū)動(dòng)器，想自己直接控制電機(jī)的話，需要看電機(jī)的功率和工作電流。如果是小功率的電機(jī)可以用電阻調(diào)速（不建議使用，方法很簡單，串聯(lián)個(gè)電位器即可，不過這種方式會(huì)降低效率，所以不提倡），大功率的電機(jī)不能使用電阻調(diào)速，因?yàn)檫@樣需要一個(gè)小阻值大功率的電阻（電機(jī)工作阻值很小），這種電阻不好找而且這種方案效率太低，最好還是找個(gè)配套的驅(qū)動(dòng)器

　　直流無刷電機(jī)的第二種調(diào)速方式：PWM調(diào)速，直流電機(jī)的PWM調(diào)速原理與交流電機(jī)調(diào)速原理不同，它不是通過調(diào)頻方式去調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而是通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓脈沖寬度的方式，并與電路中一些相應(yīng)的儲(chǔ)能元件配合，改變了輸送到電樞電壓的幅值，從而達(dá)到改變直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。它的調(diào)制方式是調(diào)幅。PWM控制有兩種方式：

　　1.使用PWM信號(hào)，控制三極管的導(dǎo)通時(shí)間，導(dǎo)通的時(shí)間越長，那么做功的時(shí)間越長，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就越高

　　2.使用PWM控制信號(hào)控制三極管導(dǎo)通時(shí)間，改變控制電壓高低來實(shí)現(xiàn)

　　直流有刷電機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于啟動(dòng)力矩大，調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，然而缺點(diǎn)也有很多如噪音大，容易損壞，要換碳刷，所以逐步被直流無刷電機(jī)所取代。