干货 | 无刷直流(BLDC)电机的原理及正确的使用方法

电子工程世界 2020-07-06

最基本的电机是 “DC电机(有刷电机)”。在磁场中放置线圈,通过流动的电流,线圈会被一侧的磁极排斥,同时被另一侧磁极所吸引,在这种作用下不断旋转。在旋转过程中令通向线圈中的电流反向流动,使其持续旋转。电机中有个叫"换向器"的部分是靠"电刷"供电的,"电刷"的位置在"转向器"上方,随着旋转不断移动。通过改变电刷的位置,可使电流方向发生变化。换向器和电刷是DC电机的旋转所不可或缺的结构(图一)。

图一:DC电机(有刷电机)的运转示意图。

换向器切换线圈中电流的流向,反转磁极的方向,使其始终向右旋转。电刷向与轴一同旋转的换向器供电。


活跃于多个领域的电机




我们按电源种类和转动原理对电机进行了分类(图2)。让我们来简单看看各类电机的特点和用途吧。

图2:电机的主要类型


构造简单而又容易操控的DC电机(有刷电机)通常被用在家电产品的“光盘托盘的开闭”等用途上。或用在汽车的“电动后视镜的开闭、方向控制”等用途上。虽然它既廉价又能用在多个领域上,但它也有缺陷。由于换向器会和电刷接触,它的寿命很短,必须定期更换电刷或保修。

步进电机会随着向其发出的电脉冲数旋转。它的运动量取决于向其发出的电脉冲数,因此适用于位置调整。在家庭中通常被用于“传真机和打印机的送纸”等。由于传真机的送纸步骤取决于规格(刻纹、细致度),因此随着电脉冲数旋转的步进电机非常便于使用。很容易解决信号一旦停止机器就会暂时停止的问题。

旋转数随电源频率变化的同步电机被用于“微波炉的旋转桌”等用途上。电机组里有齿轮减速器,可以得到适合加热食品的旋转数。感应电机也受电源频率的影响,但频率和旋转数不一致。以前这类AC电机被用在风扇或洗衣机上。

由此可见,各式各样的电机活跃于多个领域。其中,BLDC电机(无刷电机)具有怎样的特点才会用途如此之广呢?


BLDC电机是如何旋转的?




BLDC电机中的“BL”意为“无刷”,就是DC电机(有刷电机)中的“电刷”没有了。电刷在DC电机(有刷电机)里扮演的角色是通过换向器向转子里的线圈通电。那么没有电刷的BLDC电机是如何向转子里的线圈通电的呢?原来BLDC电动机电机采用永磁体来做转子,转子里是没有线圈的。由于转子里没有线圈,所以不需要用于通电的换向器和电刷。取而代之的是作为定子的线圈(图3)。

DC电机(有刷电机)中被固定的永磁体所制造出的磁场是不会动的,通过控制线圈(转子)在其内部产生的磁场来旋转。 要通过改变电压来改变旋转数。 BLDC电机的转子是永磁体,通过改变周围的线圈所产生的磁场的方向使转子旋转。 通过控制通向线圈的电流方向和大小来控制转子的旋转。

图3:BLDC电机的运转示意图。

BLDC电机将永磁体作为转子。由于无需向转子通电,因此不需要电刷和换向器。从外部对通向线圈的电进行控制。


BLDC电机的优点




BLDC电机的定子上有三个线圈,每个线圈有两根电线,电机中共有六根引出线。实际上,由于是内部接线,通常只需要三根线,但还是比先前所说的DC电机(有刷电机)要多出一根。纯靠连接电池的正负极是不会动的。至于如何运行BLDC电机将在本系列的第二回中进行说明。此次我们要关注的是BLDC电机的优点。

BLDC电机的第一个特点是“高效率”。可以控制它的回旋力(扭矩)始终保持最大值。DC电机(有刷电机)的话,旋转过程中最大扭矩只能保持一个瞬间,无法始终保持最大值。若DC电机(有刷电机)想要得到和BLDC电机一样大的扭矩,只能加大它的磁铁。这就是为什么小型BLDC电机也能发出强大力量的原因。

第二个特点是“良好的控制性”,与第一个有所关联。BLDC电机可以丝毫不差的得到你所想要的扭矩、旋转数等。BLDC电机可以精确地反馈目标旋转数、扭矩等。通过精确的控制可以抑制电机的发热和电力的消耗。若是电池驱动,则能通过周密的控制,延长驱动时间。

除此之外还有耐用,电气噪音小等特点。上述两点是无电刷所带来的优势。而DC电机(有刷电机)由于电刷和换向器之间的接触,长时间使用会有损耗。接触的部分还会产生火花。尤其是换向器的缝隙碰到电刷时会出现巨大的火花和噪音。若不希望使用过程中产生噪音,会考虑采用BLDC电机。



BLDC电机适用于这些方面




高效率、多样操控、寿命长的BLDC电机一般会用在哪些地方呢?往往被用于能够发挥其高效率、寿命长的特点,被连续使用的产品中。例如:家电。人们很早就开始使用洗衣机和空调了。最近电风扇中也开始采用BLDC电机,并成功促使消耗电力大幅度下降。正是因为效率高才让消耗电力下降的。

吸尘机中也采用了BLDC电机。在某个事例中,通过变更控制系统,实现了旋转数的大幅度上升。这个事例体现了BLDC电机的良好控制性。

作为重要存储介质的硬盘,其旋转部分也采用了BLDC电机。由于它是需要长时间运转的电机,因此耐用性很重要。当然,它还有极力抑制电力消耗的用途。这里的高效率也和电力的低消耗有关。



BLDC电机的用途还有很多




BLDC电机有望被应用在更广泛的领域中。BLDC电机将会在小型机器人,尤其是在制造以外的领域提供服务的“服务机器人”中得到广泛应用。“定位对于机器人很重要,不是应该使用随电脉冲数运行的步进电机吗?”或许会有人这么想。但是在力量控制方面,BLDC电机更合适。另外,若采用步进电机,像机器人手腕这样的构造要固定在某个位置需要提供相当大的电流。若是BLDC电机,则能配合外力只提供所需的电力,从而抑制电力的消耗。

还可用于运输方面。一直以来,老年人电动车或高尔夫球车中大多采用简单的DC电机,但最近都开始采用具有良好控制性的高效率BLDC电机了。可以通过细微的控制,延长电池的持续时间。BLDC电机还适用于无人机中。尤其是多轴机架的无人机,由于它是通过改变螺旋桨的旋转数来控制飞行姿态的,因此能够精密控制旋转的BLDC电机很有优势。

怎么样?BLDC电机是效率高、控制性良好、寿命长的优质电机。但是,要想将BLDC电机的力量发挥到极致,则需要正确的控制。该如何操作呢?



仅靠连接无法转动




内转子型BLDC电机是典型的BLDC电机的一种,其外观与内部构造如下所示(图1)。带刷DC电机(以下称为DC电机)的转子上有线圈,外侧放有永磁体。BLDC电机的转子上有永磁体,外侧是线圈。BLCD电机的转子没有线圈,是永磁体,因此没有必要在转子上通电。实现了不带通电用的电刷的“无刷型”。

另一方面,与DC电机相比,控制也变得更难了。并不是只要将电机上的电缆接上电源就好了。本来就连电缆数目都不一样。和“将正极(+)和负极(-)连上电源”的方式不同。

图1:BLDC电机的外观及内部构造

转子是永磁体,因此无法通电。无需电刷及换向器,可谋求延长使用寿命


改变磁通量的方向




为了转动BLDC电机,必须控制线圈的电流方向及时机。图2-A是将BLDC电机的定子(线圈)和转子(永磁体)模式化的结果。使用该图片,思考一下转子旋转的情况吧。思考使用3个线圈的情况。虽然实际上也有使用6个或以上的线圈的情况,但在考虑原理的基础上,每120度放一个线圈,使用3个线圈。电机将电气(电压、电流)转换为机械性旋转。图2-A的BLDC电机又是如何转动呢?先来看一看电机中发生了什么吧。


图2-A:BLDC电机转动原理

BLDC电机中每隔120度放置一个线圈,总共放置三个线圈,控制通电相或线圈的电流


如图2-A所示,BLDC电机使用3个线圈。这三个线圈用以在通电后生成磁通量,将其命名为U、V、W。将该线圈通电试试看吧。线圈U(以下简称为“线圈”)上的电流路径记为U相,V的记录为V相,W的记录为W相。接下来看一看U相吧。向U相通电后,将产生如图2-B所示的箭头方向的磁通量。

但实际上,U、V、W的电缆都是互相连接着的,因此无法仅向U相通电。在这里,从U相向W相通电,会如图2-C所示在U、W产生磁通量。合成U和W的两个磁通量,变为图2-D所示的较大的磁通量。永磁体将进行旋转,以使该合成磁通量与中央的永磁体(转子)的N极方向相同。


图2-B:BLDC电机的转动原理

从U相向W向通电。首先,只关注线圈U部分,则发现会产生如箭头般的磁通量


图2-C:BLDC电机的转动原理

从U相向W相通电,则会产生方向不同的2个磁通量



图2-D:BLDC电机的转动原理

从U相向W相通电,可以认为产生了两个磁通量合成的磁通量


若改变合成磁通量的方向,则永磁体也会随之改变。配合永磁体的位置,切换U相、V相、W相中通电的相,以变更合成磁通量的方向。连续执行此操作,则合成磁通量将发生旋转,从而产生磁场,转子旋转。

图3所示的是通电相与合成磁通量的关系。在该例中,按顺序从1-6变更通电模式,则合成磁通量将顺时针旋转。通过变更合成磁通量的方向,控制速度,可控制转子的旋转速度。将切换这6种通电模式,控制电机的控制方法称为“120度通电控制”。

图3:转子的永久磁石会像被合成磁通量牵引一样旋转,电机的轴也会因此旋转


使用正弦波控制,进行流畅的转动




接下来,尽管在120度通电控制下合成磁通量的方向会发生旋转,但其方向不过只有6种。比如将图3的“通电模式1”改为“通电模式2”,则合成磁通量的方向将变化60度。然后转子将像被吸引一样发生旋转。接下来,从“通电模式2”改为“通电模式3”,则合成磁通量的方向将再次变化60度。转子将再次被该变化所吸引。这一现象将反复出现。这一动作将变得生硬。有时这动作还会发出噪音。

能消除120度通电控制的缺点,实现流畅的转动的正是“正弦波控制”。在120度通电控制中,合成磁通量被固定在了6个方向。进行控制,使其进行连续的变化。在图2-C的例子中,U和W生成的磁通量大小相同。但是,若能较好地控制U相、V相、W相,则可让线圈各自生成大小各异的磁通量,精密地控制合成磁通量的方向。调整U相、V相、W相各相的电流大小,与此同时生成了合成磁通量。通过控制这一磁通量连续生成,可使电机流畅地转动。

图4:正弦波控制

正弦波控制可控制3相上的电流,生成合成磁通量,实现流畅的转动。可生成120度通电控制无法生成的方向上生成合成磁通量


使用逆变器控制电机




那么U、V、W各相上的电流又如何呢?为便于理解,回想120度通电控制的情况看看吧。请再次查看图3。在通电模式1时,电流从U流至W;在通电模式2时,电流从U流至V。可以看出,每当有电流流动的线圈的组合发生改变时,合成磁通量箭头的方向也会发生变化。

接下来,请看通电模式4。在该模式下,电流从W流至U,与通电模式1的方向相反。在DC电机中,像这样的电流方向的转换是由换向器和刷子的组合来进行了。但是,BLDC电机不使用这样的接触型的方法。使用逆变器电路,更改电流的方向。在控制BLDC电机时,一般使用的是逆变器电路。

另外逆变器电路可改变各相中的外加电压,调整电流值。电压的调整中,常用的是PWM(Pulse Width Modulation=脉冲宽度调制)。PWM是一种通过调整脉冲ON/OFF的时间长度改变电压的方法,重要的是ON时间和OFF时间的比率(占空比)变化。若ON的比率较高,可以得到和提高电压相同的效果。若ON的比率下降,则可以得到和电压降低相同的效果(图5)。

为了实现PWM,现在还有配备了专用硬件的微电脑。进行正弦波控制时需控制3相的电压,因此比起只有2相通电的120度通电控制来说,软件要稍稍复杂一些。逆变器是对驱动BLDC电机必要的电路。交流电机中也使用了逆变器,但可以认为家电产品中所说的“逆变器式”几乎使用的是BLDC电机。


图5:PWM输出与输出电压的关系

变更某时间内的ON时间,以变更电压的有效值。
ON时间越长,有效值越接近施加100%电压时(ON时)的电压


使用位置传感器的BLDC电机




以上是BLDC电机的控制的概况。BLDC电机通过改变线圈生成的合成磁通量的方向,使转子的永磁体随之变化。

实际上,在以上的说明中,还有一点没有提到。即BLDC电机中的传感器的存在。BLDC电机的控制是配合着转子(永磁体)的位置(角度)进行的。因此,获取转子位置的传感器是必需的。若没有传感器得知永磁体的方向时,转子可能会转至意料之外的方向。有传感器提供信息的话,就不会出现这样的情况了。

表1中显示的是BLDC电机主要的位置检测用传感器的种类。根据控制方式的不同,需要的传感器也是不同的。在120度通电控制中,为判断要对哪个相通电,配备了可每60度输入一次信号的霍尔效应传感器。另一方面,对于精密控制合成磁通量的“矢量控制”(在下一项中说明)来说,转角传感器或光电编码器等高精度传感器较为有效。

通过使用这些传感器可以检测出位置,但也会带来一些缺点。传感器防尘能力较弱,而且维护也是不可或缺的。可使用的温度范围也会缩小。使用传感器或为此增加配线都会造成成本的上升,而且高精度传感器本身就价格高昂。于是,“无传感器”这一方式登场了。它不使用位置检测用传感器,以此控制成本,且不需要传感器相关的维护。但此次为了说明原理,因此假定已从位置传感器获得了信息来吧。

传感器种类 主要用途 特征
霍尔效应传感器 120度通电控制 每60度获取一次信号。价格较低。不耐热。
光电编码器 正弦波控制、矢量控制 有增量型(可得知原位置开始的移动距离)和绝对型(可得知当前位置的角度)两种。分辨率高,但防尘埃能力较弱。
转角传感器 正弦波控制、矢量控制 分辨率高。即使在牢固的恶劣环境下也可使用。

表1:位置检测专用传感器的种类及特征


通过矢量控制时刻保持高效率




正弦波控制为3相通电,流畅地改变合成磁通量的方向,因此转子将流畅地旋转。120度通电控制切换了U相、V相、W相中的2相,以此来使电机转动,而正弦波控制则需要精确地控制3相的电流。而且控制的值是时刻变化的交流值,因此,控制变得更为困难。

在这里登场的便是矢量控制了。矢量控制可通过坐标变换,把3相的交流值作为2相的直流值进行计算,因此可简化控制。但是,矢量控制计算需要高分辨率下的转子的位置信息。位置检测有两种方法,即使用光电编码器或转角传感器等位置传感器的方法,以及根据各相的电流值进行推算的无传感器方法。通过该坐标变换可直接控制扭矩(旋转力)的相关电流值,从而实现没有多余电流的高效控制。

但是,矢量控制中需要进行使用三角函数的坐标变换,或复杂的计算处理。因此,大多情况下都会使用计算能力较强的微电脑作为控制用微电脑,比如配备了FPU(浮点运算器)的微电脑等。

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