電機(jī)驅(qū)動器文化崛起剛剛幾年，我很自然地認(rèn)為大部分人都不熟悉機(jī)電控制系統(tǒng)。為此我召開了幾次座談會，這真是有點費勁的事情。

 

但是我認(rèn)為我有義務(wù)就這個話題培訓(xùn)其他人，因為我很少看到高校課程除了簡單介紹控制理論之外再做其它講解。我的目標(biāo)是深入淺出地介紹無刷直流電機(jī)。

 

所有電機(jī)都有個概念叫做“換向”，說的是切換電流(用某種方式)以便移動物理轉(zhuǎn)軸的過程。當(dāng)電流流經(jīng)線圈時轉(zhuǎn)軸就會移動，從而產(chǎn)生磁場(一般來說，是由永磁體產(chǎn)生的)，這個磁場與原有磁場可能相斥，可能相吸。該力導(dǎo)致轉(zhuǎn)子(電機(jī)的運(yùn)動部分)相對于定子(電機(jī)的靜止部分)而言發(fā)生運(yùn)動。

 

磁體是換向的一個很好的類比。當(dāng)把兩個磁體放在桌子上同極相對時，它們會相互排斥。當(dāng)兩個同極距離足夠遠(yuǎn)后，它們將停止移動。如果把一個磁體靠近第二個磁體，第二個磁體也會因同性相斥被推遠(yuǎn)。如果繼續(xù)這樣做，磁體將持續(xù)移動，這就是換向的線性示例。

 

有刷直流電機(jī)實行機(jī)械換向，這意味著電機(jī)的物理結(jié)構(gòu)實際上會導(dǎo)致電機(jī)換向。電刷與換向器接觸，隨著電機(jī)旋轉(zhuǎn)，電流通過電機(jī)線圈，將會使極性交替。這允許定子永磁體產(chǎn)生的磁場，始終與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場相反，因而總能產(chǎn)生力。機(jī)械換向表示有刷直流電機(jī)只需在電機(jī)繞組上施加一些電壓即可旋轉(zhuǎn)，如圖 1所示。
 

圖 1. 有刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)

 

很多讀者在看到本文的標(biāo)題后很可能正處于迷惑中，因為到現(xiàn)在為止我還沒有談及無刷直流電機(jī)。不過，為了解釋“無刷”，我需要首先解釋電刷用在什么地方。

 

無刷電機(jī)的起源從頭來講也是比較簡單的：大部分有刷直流電機(jī)的問題都來自于電刷。電刷可能打火花、磨損、產(chǎn)生很強(qiáng)的噪音并產(chǎn)生很大一部分功耗，導(dǎo)致速度被嚴(yán)重限制，且不容易冷卻。這意味著您不能在任何易燃物周圍、需要長使用壽命、靜音或高效率的應(yīng)用條件下、在任何高速或高功耗系統(tǒng)中使用有刷直流電機(jī)。這都是電刷顯著的缺點，取消電刷就可以解決這些問題，但是不好的地方是同時消除了機(jī)械換向。

 

缺乏機(jī)械換向會造成其它問題，因為電機(jī)需要換向。無刷電機(jī)使用電氣換向，聽起來很神奇嗎？這種換向方式下，您需要確保電機(jī)中的電流始終產(chǎn)生一個可以移動轉(zhuǎn)子的磁場。但是看看圖 2，您需要先知道轉(zhuǎn)子在哪里，才能考慮如何施加電流來移動轉(zhuǎn)子。

 

圖 2.無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)

 

無刷直流電機(jī)系統(tǒng)的首個重大結(jié)構(gòu)決策是“有傳感器(sensored)”和“無傳感器(sensorless)”之分。您需要知道轉(zhuǎn)子在哪的話，有兩種方法能幫助您：

•有傳感器法，通常使用霍爾效應(yīng)傳感器或編碼器，來探測轉(zhuǎn)子的位置。雖然編碼器可以給予非常準(zhǔn)確的角度反饋，但這種方法成本很高。霍爾效應(yīng)傳感器是一種很受歡迎的磁傳感器。在三相無刷直流電機(jī)中，部署三個霍爾效應(yīng)傳感器可以實現(xiàn)簡單的六步換向。

•無傳感器法，位置估計通常涉及測量或估計電機(jī)旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的逆電動勢(EMF)。逆電動勢是個復(fù)雜的話題，最好單獨講解。簡言之，它是電機(jī)線圈上生成的電壓，即電機(jī)速度及電機(jī)負(fù)載的函數(shù)。無傳感器法的本質(zhì)上是一種估計，通常需要進(jìn)行復(fù)雜的計算。隨著電機(jī)速度的下降(例如，對于位置控制的伺服電機(jī))，無傳感器法將變得異常困難，這是因為逆電動勢隨速度下降。

 

無刷直流電機(jī)系統(tǒng)的第二個重大結(jié)構(gòu)決策是控制方法。如果您知道轉(zhuǎn)子在哪里，需要施加一定的電流來移動轉(zhuǎn)子的話，三相無刷直流電機(jī)需要至少六個不同的電位。圖 3是一張簡圖，您可以使用“梯形”、“六步”或“120度”的控制方法來找到無刷直流電機(jī)換向的方法。

 

圖 3. 有傳感器梯形換向

 

另外一種方法是為電機(jī)施加更平滑的電流波形，這稱之為“正弦波”控制或“180度”。與梯形控制相比，當(dāng)與合適的電機(jī)配合使用時，這種控制方法能夠提高效率，降低噪音。缺點是要實現(xiàn)平滑電壓和電流分布，復(fù)雜性比較高，通常需要更準(zhǔn)確的脈寬調(diào)制(PWM)計時器。

 

圖4. 正弦波整流

 

在寫這篇短文時，我很快就意識到這個主題其實非常寬泛。如磁場定向控制、電機(jī)啟動、內(nèi)轉(zhuǎn)子與外轉(zhuǎn)子、極數(shù)、Δ(Delta)與Y型繞組，以及許多細(xì)節(jié)本文無法一一述及。不過，我真心希望您能在讀過后，在電機(jī)知識方面有所受益。