三相无刷直流电机的基本操作原理
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无刷直流电机为同步电机，转子和线圈绕组中设有永久磁铁。它们可在电机定子上产生电磁。电气端子直接连接至定子绕组;因此，转子上未连接刷子或机械装置(如有刷电机)。BLDC电机使用直流电源和开关电路，在定子绕组上产生双向电流。开关电路必须在每个绕组中使用一个高端开关和低端开关，因此一个BLDC电机共使用6个开关。
现代电机设计采用固态开关，如MOSFET或IGBT，这取决于与继电器相比时电机的速率和电压。此外，还必须考虑成本、可靠性和尺寸。开关电流产生适当的磁场极性，可吸引相反极性，排斥相同极性。从而产生磁力，促使转子旋转。将永久磁铁用于转子可为设计师提供机械利益;并可减小尺寸，降低重量。与有刷电机和感应电机相比，BLDC电机的热特性更优，因而成为掀起机械系统节能新浪潮的理想选择。 BLDC通常使用三个相位(绕组)，每个相位具有120度的导通间隔。 由于为双向电流，每个相位按照每个导通间隔有两个步骤。这是一种镀锡六步换向。例如，换向相序可为AB-AC-BC-BA-CA-CB。每个导电阶段标记一个步骤，任何时候只能由两个绕组导通电流，第三个绕组悬空。未励磁绕组可用作反馈控制，构成无传感器控制算法特征的基础。 为了保持在转子之前的定子内部的磁场，并产生最佳扭矩，必须在精确的转子位置完成从一个扇形区到另一个的过渡。通过每 60 度转向的开关电路获得最大扭矩。所有开关控制算法均包含在MCU中。微控制器可通过MOSFET驱动器控制开关电路。MOSFET驱动器包含适当响应时间(如维持延迟及上升和下降时间)和驱动能力(包括转换MOSFET/IGBT “开”或“关”状态所需的门驱动电压和电流同步)。 转子位置对于确定电机绕组换向所需的正确力矩非常重要。在精度要求较高的应用中，可使用霍尔传感器或转速计计算转子的位置速度和转矩。在首要考虑成本的应用中，逆电动势 (EMF) 可用于计算位置、速度和转矩。 逆电动势是指永久磁铁在定子绕组中产生的电压。电机转子旋转时会出现这种情况。共有三个可用于控制和反馈信号的主要逆电动势特征。第一，适用于电机速度的逆电动势等级。因此，设计师使用工作电压至少为标准电压的2倍的MOSFET驱动器。第二，逆电动势信号的斜率随速度增加而增加。第三亦即最后者，如“交叉事件”中逆电动势信号是对称的。精确检测交叉事件是执行逆电动势算法的关键。逆电动势模拟信号可使用高压运算放大器和模拟数字转换器(广泛应用于最现代的微控制器)按每个混合信号电路转化至MCU。每个至少需要一个ADC。 使用无传感器控制时，启用顺序至关重要，这是由于MCU最初不确定转子的初始位置。首先启动电机，激励两个绕组，同时从逆电动势反馈回路进行几次测量，直到确定了精确位置。 通常可使用具有MUC的闭环控制系统操作BLDC电机。MCU可执行伺服回路控制、计算、纠正、PID控制及传感器管理(如逆电动势、霍尔传感器或转速计)。这些数字控制器通常为8位或更高，需要EEPROM储存固件，从而获得设置所需电机速度、方向及维持电机稳定性所需的算法。通常，MCU 可提供允许无传感器电机控制构架的ADC。该构架可节省宝贵成本和电路板空间。MCU兼具较强可构造性和灵活性，可满足优化应用算法之所需。模拟IC可为MUC提供高效电源、电压调整、电压基准，能够驱动MOSFET或IGBT及故障保护。采用这两种技术均可高效地操作三项BLDC电机，且与感应电机和有刷电机价格相当。 |
