一、電機基本知識

　　電機已經成為我們生活中的重要組成部分。它們存在于從電動汽車到無人機，機器人醫(yī)療設備，家電，玩具等其他的各種電子設備中。

　　電動機可根據其使用的電源類型分為兩大類：交流電動機和直流電動機。

　　交流電機使用交流電源(單相或三相)供電，主要用于需要大量扭矩的工業(yè)應用中。直流電機是基于電池或直流電源的應用。交流電機結構簡單，運行可靠，但啟動特性和調節(jié)性能較差，需要通過變頻來控制電機速度。而直流電機具有優(yōu)越的啟動特性和調速性能，主要表現為控制性能好，調速范圍寬，效率高，廣泛應用于工業(yè)和民用場合。

　　直流電機又可以分為三種不同的類型：1)有刷直流電機 ;2)無刷直流電機 ;3)伺服直流電機 。

　　電動機的工作原理都是基于兩個基本定律： 安培定律和法拉第定律。簡單的說就是，磁場中的載流導體，會受到力的作用(左手定則：讓磁感線穿過手掌正面，手指方向為電流方向，大拇指方向為產生磁力的方向)。第二個定律指出，如果導體在磁場中移動，磁場中的導體因受到力的牽引切割磁感線會產生電動勢(1.右手定則：讓磁感線穿過掌心，大拇指方向為運動方向，手指方向為產生的電動勢方向。2.右手螺旋定則：用右手握住通電螺線管，使四指彎曲與電流方向一致，那么大拇指所指的那一端就是通電螺旋管的N極。)。

　　我們研究的是電機控制，對于電機設計中的關于磁路，磁導率，氣隙飽和，去磁曲線等參數的研究意義不大。我們了解電機的基本結構和原理即可。電動機由永磁體和一堆導體繞成的線圈兩個主要組成部分，即我們常說的定子和轉子。電機運動的本質，基于磁鐵同性相斥，異性相吸的事實，實現旋轉運動;實際上就是一個磁場在追著另一個磁場運動的過程。

　　無刷直流電機工作原理示意圖如下所示：

　　1. 先用磁回路分析法來說明兩相兩極無刷電機的工作原理。

　　上圖中，當兩頭的線圈通上電流時，根據右手螺旋定則，會產生方向指向右的外加磁感應強度B(如圖中粗箭頭方向所示)，而中間的轉子會盡量使自己內部的磁力線方向與外磁力線方向保持一致以形成一個最短閉合磁力線回路，這樣內轉子就會按順時針方向旋轉。當轉子磁場方向與外部磁場方向垂直時，轉子所受的轉動力矩最大。

　　上圖中，當轉子磁場與外部磁場方向一致時，轉子所受磁力最大。此時轉子呈水平狀態(tài)，轉子力臂為0，力矩為0。雖然不再受到轉動力矩的作用，但由于慣性，還會繼續(xù)順時針轉動。這時若改變兩頭螺線管的電流方向，轉子就會繼續(xù)順時針向前轉動。

　　如此不斷改變兩頭螺線管的電流方向，內轉子就會不停地轉起來。改變電流方向的這一動作，就稱為換相。何時換相只與轉子的位置有關，而與轉子的速度無關。

　　2. 三相兩極無刷電機的工作原理。

　　以最常用的“三相星形聯結的二二導通方式”為列，定子三相繞組星形聯結方式的具體接線圖如下圖所示(轉子未畫出，假想是個二極磁鐵)，整個電機就引出三根線A、B、C。當它們之間兩兩通電時，有六種情況，分別是AB、AC、BC、BA、CA、CB。

　　下面分別描述這六種情況下每個通電線圈產生的磁感應強度的方向(紅、藍箭頭表示)和兩個線圈的合成磁感應強度方向(綠色箭頭表示)。如下圖所示：

　　當AB相通電，C相不通電，A相定子線圈產生的磁感應強度方向如紅色箭頭所示;B相定子線圈產生的磁感應強度方向如藍色箭頭所示;A相和B相定子線圈合成的磁感應強度方向如綠色箭頭所示; 當AB相通電，中間的轉子會盡量往綠色箭頭方向對齊(中間的轉子會盡量使自己內部的磁感應方向與外磁感應方向保持一致)。當轉子到達上圖(a)中綠色箭頭位置時，外線圈換相，改成AC相通電，這時轉子會繼續(xù)運動，并往圖(b)中綠色箭頭處對齊，往后以此類推。當外線圈完成六次換相后，內轉子正好旋轉一周。

　　上圖中，遵循AB->AC->BC->BA->CA->CB的順序進行通電換相。轉子逆時針轉動。如果想讓電機順時針旋轉的話，電子方法是按倒過來的次序通電，物理方法直接對調任意兩根線，假設A和B對調，那么順序就是BA->BC->AC->AB->CB->CA。有刷直流電機采用機械換向，磁極不動，線圈旋轉。永磁體為固定定子，繞線線圈為轉子。電刷和換向器實現換向，有刷電機的優(yōu)點是驅動簡單，加上直流電源就能控制電機旋轉。但是由于電刷和換向器之間有摩擦，造成效率降低，電磁干擾大，壽命短，維護麻煩。 無刷電機顧名思義，就是沒有電刷，無刷電機采取電子換向，線圈不動，磁極旋轉。線圈固定了，那怎么才能產生變化的磁場呢?首先就必須通過霍爾元件，感應永磁體磁極的位置，然后依照定子繞線來決定開啟或關閉三組橋式功率MOS管的順序，適時切換線圈電流的方向，保證產生正確方向的磁力，來驅動電機，消除了有刷電機的缺點。

　　有刷和無刷電機的主要優(yōu)缺點總結如下表所示：

　　二、直流無刷電機的系統(tǒng)組成

　　直流無刷電機是隨著半導體電子技術的發(fā)展而出現的新型機電一體化產品，是現代電子技術、控制理論和電機技術相結合的產物。其系統(tǒng)主要包括直流電源、控制器、電動機和確定轉子位置的霍爾傳感器四部分組成。如下圖所示：

　　1)電源，可以直接以直流電輸入;如果是輸入交流電就必須先經過AC-DC轉換器轉成直流電。

　　2)控制器，無論是交流電源還是直流電源，在輸入到電機線圈之前必須將直流電壓通過逆變器轉成三相電壓來驅動電機，這就需由控制器來實現，控制器包括開關主電路，驅動電路，控制電路三部分組成。

　　a).開關主電路，由6個分立功率器件分上下臂連接電機作為控制流過電機線圈的開關，通常可選擇的功率器件有功率晶體管GTR,功率場效應管MOSFET,絕緣晶體管IGBT,可關斷晶閘管等。

　　b).驅動電路，就是驅動功率器件能可靠導通和關斷的驅動電路

　　c).控制電路MCU，MCU通過PWM(脈沖寬度調制)信號，決定功率管開關的頻率和電子換向的時機。

　　3)電動機，在此為三相無刷直流電機

　　4)轉子位置傳感器，要讓電機轉動起來，無刷電機必須換向才能形成旋轉磁場，要想根據 轉子磁極的位置換向時就必須要知道轉子的位置。在無刷電機中，一般采用三個開關型霍爾傳感器，空間上彼此相差120電角度，用于測量轉子的位置。由其輸出3位二進制編碼信號反饋給MCU . 電子換向時，如果滿足定子磁勢和轉子磁勢相互垂直的條件，就能取得最大轉矩。

　　5)安裝霍爾傳感器會增加電機的體積大小和復雜度，對電機的可靠性和制造帶來不利因素。無霍爾傳感器無刷電機的控制方法得到越來越廣泛的應用。無霍爾無刷直流電機不需要霍爾傳感器，通過檢測定子繞組的反電動勢過零點來判斷轉子當前的位置。與有霍爾的方案相比，最明顯的優(yōu)點就是降低了成本、減小了體積，且電機引線從8根變?yōu)?根，使接線調試大為簡化。因為沒有霍爾來檢測轉子位置，在電機靜止或低速時，反電動勢為零或很小，難以準確檢測繞組反電動勢，無法得到有效的轉子位置信號。需要采用開環(huán)方式進行起動，造成電機起動容易產生振動，不合適負載或負載變化很大的場合。

　　三、直流無刷電機的控制原理

　　根據轉子磁極位置，對定子線圈進行換向通電。其中最關鍵技術是通過6個功率器件組成的3個半橋來控制線圈的6拍通電方式，形成旋轉磁場。其工作過程如下圖所示：

　　上圖中A+，B+，C+ 為上臂功率晶體管，A- ,B- , C- 為下臂功率晶體管，6只功率晶體管按一定順次按一定要求順次導通，就可實現電機A、B、C三相繞組的輪流通電，產生旋轉磁場，如圖中所示的通電順序，B+A- , B+C-,A+C-,A+B-,C+B-,C+A- ，如此循環(huán)就產生了順時針的旋轉磁場。要電機反轉將功率晶體管開啟順序相反即可。需要注意的是同相的上臂和下臂功率管絕對不允許同時導通，否則會造成上下臂短路，燒毀功率管。

　　改變線圈繞組兩端的電壓，可以調節(jié)電機轉速。在電機控制系統(tǒng)中采用單片機產生PWM(脈沖寬度調制)波形，通過控制PWM的不同占空比，則線圈繞組的平均電壓可以被控制，從而控制電機轉速。PWM 調制方式又分兩種：全橋調制和半橋調制。在120℃導通期間，對功率逆變橋的上橋和下橋都采用PWM方式驅動，即“全橋調制”;在120℃導通期間，只對功率逆變橋的上橋(或者下橋)采用PWM方式驅動，下橋(或上橋)恒通，稱為“半橋調制”。

　　全橋調制下MOS管的開關頻率是半橋調制方式的兩倍左右，損耗比較大，很少用到。半橋調制比較常用，它又分為H-PWM-L-ON (在120℃導通區(qū)間內，上橋臂MOS管用PWM調制，下橋臂MOS管恒通)、H-ON-L-PWM(在120℃導通區(qū)間內，上橋臂MOS管恒通，下橋臂MOS管用PWM調制)、PWM-ON(前60℃PWM,后60℃恒通)、ON-PWM(前60℃ 恒通,后60℃ PWM) 等多種，其調制方式各有特點，需根據應用場合和具體電路選擇合適的控制方式。

　　四、無刷直流電機BLDC的控制方案

　　目前，BLDC無刷直流電機的整體解決方案共有四大類。

　　1) MCU + 預驅 + 驅動MOS

　　2) MCU + [ 預驅 + 驅動MOS ]

　　3) [ MCU + 預驅 ] + 驅動MOS

　　4) SOC 方案

　　各種控制方案的優(yōu)缺點總結如下：

　　MCU + 預驅 + 驅動 為傳統(tǒng)方案，因為大功率有高壓和散熱問題，因此在高壓和大功率系統(tǒng)中，通常采用傳統(tǒng)控制方案。隨著技術的發(fā)展，無刷直流電機的控制整體方案朝著無傳感器高集成度方向發(fā)展。各個芯片廠商都針對不同細分市場開發(fā)了40V/100V/300V/600V等不同耐壓，不同驅動能力的差異化產品。搭配不同的電機控制方案，給客戶提供了非常靈活的選擇。