无刷电机驱动详解

无刷电机驱动详解

有刷电机和无刷电机字面上理解最大的区别就是有无电刷，实际上区别还有换向器，电刷和换向器的作用是什么？电刷负责在旋转部件与静止部件之间传导电流，换向器则利用旋转惯性周期性的改变线圈中电流的方向。

所以有刷电机和无刷电机的本质区别是如何改变线圈中电流的方向，所以电刷和换向器实际不是必须的，只是一种改变电流方向的手段，可以采用其他的手段，只要能够快速周期性的改变线圈电流方向即可。

所以无刷直流电动机采用半导体开关器件来实现改变线圈电流方向（电子换向），即用电子开关器件代替传统的接触式电刷和换向器。

1. 电机结构

无刷电机移除除了电刷和换向器，让电机点的控制变得更加复杂，控制原理和电机线圈结构有关，所以下面我们从电机线圈结构开始来讲解无刷电机的控制原理。

现在以上图中左侧用来旋转（驱动）光盘播放设备中的光盘的主轴电机为示例讲解。图中电机共有三相，为了让线圈磁场分布更加均磁力作用范围更大，将每个相分成 3 个线圈，所以可以看到共 $3\times 3=9$ 个线圈。图中右侧是 FDD 设备的主轴电机示例，共有 $3\times 4=12$ 个线圈（三相 ×4），线圈被固定在电路板上，并缠绕在铁芯上。

在线圈右侧的盘状部件是永磁体转子，外围是永磁体，转子的轴插入线圈的中心部位并覆盖住线圈部分，永磁体围绕在线圈的外围。上图中永磁铁虽然看似属于一个整体但实际上是多极对的，例如下图电机的永磁体。

什么是极对数：极对数指的是电机定子电磁场，以及永磁体的磁极对数（每一个 N 极和一个 S 极为一对），通常电机定子电磁场的极对数和永磁体的磁极对数是相同的。磁极对数可以是偶数也可以是奇数，但是极数一定为偶数。

2. 等效结构

无刷电机每一相拆分为多个线圈之后不易分析磁场以及电流流向，所以我们可以将无刷电机简化为每一相仅有一个线圈（总共 $3\times 1=3$）个线圈，且磁极对数为 $1$ 的等效结构图，

得到的等效结构如下图。

该内部结构简图是结构很简单的 2 极（2 个磁体）3 槽（3 个线圈）电机示例，它类似于极数和槽数相同的有刷电机结构，但线圈侧是固定的，磁体可以旋转，当然没有电刷。

在这种情况下，线圈采用 Y 形接法，使用半导体元件为线圈供给电流，根据旋转的磁体位置来控制电流的流入和流出。在该示例中，使用霍尔元件来检测磁体的位置，霍尔元件（H1，H2，H3）配置在线圈和线圈之间，根据磁场强度检测产生的电压并用作位置信息。

3. 驱动方式

下面将按照步骤 ①～⑥ 来说明无刷电机的旋转原理，为了易于理解，这里将永磁体从圆形简化成了矩形。

① 在三相线圈中，设线圈 1 固定在时钟的 12 点钟方向上，线圈 2 固定在时钟的 4 点钟方向上，线圈 3 固定在时钟的 8 点钟方向上。设 2 极永磁体的 N 极在左侧，S 极在右侧，并且可以旋转。

使电流 Io 流入线圈 1，以在线圈外侧产生 S 极磁场。使 Io/2 电流从线圈 2 和线圈 3 流出，以在线圈外侧产生 N 极磁场。

在对线圈 2 和线圈 3 的磁场进行矢量合成时，向下产生 N 极磁场，该磁场是电流 Io 通过一个线圈时所产生磁场的 0.5 倍大小，与线圈1的磁场相加变为 1.5 倍。这会产生一个相对于永磁体成 90° 角的合成磁场，因此可以产生最大扭矩，永磁体顺时针旋转。

当根据旋转位置减小线圈 2 的电流并增加线圈3的电流时，合成磁场也顺时针旋转，永磁体也继续旋转。

② 在旋转了 30° 的状态下，电流 Io 流入线圈 1，使线圈 2 中的电流为零，使电流 Io 从线圈 3 流出

线圈 1 的外侧变为 S 极，线圈 3 的外侧变为 N 极。当矢量合成时，产生的磁场是电流 Io 通过一个线圈时所产生磁场的 $\sqrt{3}$（1.72）倍。这也会产生相对于永磁体的磁场成 90° 角的合成磁场，并顺时针旋转。

当根据旋转位置减小线圈 1 的流入电流 Io，使线圈 2 的流入电流从零开始增加，并使线圈3 的流出电流增加到 Io 时，合成磁场也顺时针旋转，永磁体也继续旋转。

假设各相电流均为正弦波形，则此处的电流值为 $Io\times sin(\frac{\pi }{3})=Io\times \frac{\sqrt{3}}{2}$ 通过磁场的矢量合成，得到总磁场大小为一个线圈所产生磁场的 $(\frac{\sqrt{3}}{2}{)}^2\times 2=1.5$ 倍。当各相电流均为正弦波时，无论永磁体的位置在哪，矢量合成磁场的大小均为一个线圈所产生磁场的 1.5 倍，并且磁场相对于永磁体的磁场成 90° 角。

③ 在继续旋转了 30° 的状态下，电流 Io/2 流入线圈 1，电流 Io/2 流入线圈 2，电流 Io从线圈 3 流出。

线圈 1 的外侧变为 S 极，线圈 2 的外侧也变为 S 极，线圈 3 的外侧变为 N 极。当矢量合成时，产生的磁场是电流 Io 流过一个线圈时所产生磁场的 1.5 倍（与 ① 相同）。这里也会产生相对于永磁体的磁场成 90° 角的合成磁场，并顺时针旋转。

④～⑥ 以 ①～③ 相同的方式旋转。这样，如果不断根据永磁体的位置依次切换流入线圈的电流，则永磁体将沿固定方向旋转。同样，如果使电流反向流动并使合成磁场方向相反，则会逆时针旋转。

下图连续显示了上述 ①～⑥ 每个步骤的每个线圈的电流。通过以上介绍，应该可以理解电流变化与旋转之间的关系了。

这里先了解一下无刷电机的物理结构，以及在无刷电机最底层转子是如何被控制旋转起来的，通过这篇文章大体知道了这些内容。
后续会继续更新无刷电机 FOC 算法涉及的变换，SVPWM 矢量调制等相关内容，本文说到了电流控制去合成力矩牵引转子，具体如何去合成电流这就是 SVPWM 要做的事情，敬请期待我后续的更新，希望可以帮助到各位小伙伴们。