【项目2：电机控制项目】 之 【3.先了解电机 - 无刷直流电机】

1.优点

无刷直流电机的优点：受命长，效率高，可以通大电流，也没有电磁干扰。
 

2.原理

定子上面绕有线圈，并且将三根线向外引出（无刷直流电机一般都是三相的，相数越多，转子和定子之间就越平滑，但驱动器需要的电子器件就需要越多，系统复杂性和成本也就越高，而三相，在成本和平滑性上都满足我们的要求。所以市面上的绝大部分无刷直流电机都是三相的)，转子是一个永磁体，定子的线圈产生磁场，该磁场会推动/吸引转子的磁场(类似于指南针原理），从而让转子转动。

怎么让定子上的线圈产生切合时机（切合时机的意思是，刚好和转子中的永磁体产生推动/吸引转子的磁场的效果，相斥就会推动转子转动）的磁场呢？ 此时需要霍尔元件，用霍尔来感应转子的位置，MCU得到转子的位置后，再来决定定子的三根线需要如何导通。

三根线如何导通？不是直接和MCU相连，而是，MCU和电机驱动器相连，电机驱动器上面有6个CMOS管，MCU主要通过霍尔采集的位置信息，来导通驱动器中的CMOS管，CMOS再控制电机转动。驱动器也称为三相桥式电路。通过桥式电路的裂变产生一个波形来控制电机的运转。

模型示意图：

驱动器上直接使用三个来控制，脉动会比较大，所以一般是使用6个管子来控制。使用6个管子，也可以让电流反过来流（最大的好处）。即用6个MOS管组成三相桥。如下图所示，V1和V4组成一个桥臂，V1称为上桥臂，V4称为下桥臂。V3和V6组成一个桥臂，V5和V2也组成一个桥臂。

电子开关器件有很多，由于我们对电流和电压有很大的要求，即大功率，所以一般选用MOS管。
 

2.1.定子磁场方向

从上图可以看出，从a->b->c->d->e->f，定子的磁场方向刚好旋转一周，称为一个电周期，每次转60°。定子上面绕组的电一共切换了6次。也就是说，只要人为的让六个管子分别导通（每次只导通两个管子），就能控制转子的转动。怎么知道需要导通哪两个管子呢？就需要霍尔采集的转子的位置信息了。

定子旋转的磁场会拉着转 子一起旋转，即定子的旋转磁场的旋转和转子的旋转是一样的。

总结：
马达旋转一周，开关管切换了6次。

AB通电时，根据右手定则，磁力线的方向是从下到上的，即下面是N，上面是S，转子会发生旋转，注意，不是转子完全垂直时（转子的N和定子的N重合，S和S重合）才导通AC，而是转过60°就立马导通AC，这称为提前换向，可以使定子对转子的力最大。

霍尔一般是安装在两绕组之间，在上图的环的线位置就是霍尔的安装位置。一般是有几相，就用几个霍尔，三相就需要三个霍尔。
 

2.2.霍尔的安装位置

霍尔元件的安装一般有两种方式，120°（霍尔与霍尔之间，间隔了120°）和60（霍尔与霍尔之间间隔了60°）°。如上图所示，是以60°方式安装。

要注意，定子中的线圈绕组是三对，也就是三相，但每一个可以设计成多个齿，譬如一项有3个齿，三相一共就有9个齿。齿数必须是3个倍数，如果是不是3的倍数，譬如一共有13个齿，安装霍尔时，就不对称，不对称会导致电机震荡，噪音也会比较大。
 

2.3.60°安装状态

一个霍尔有两种状态，霍尔对准N，输出高，对准S，输出低(霍尔的输出只有0或1)。3个霍尔，一共有8种状态，但我们只使用了其中的6种状态，如果下图所示。

 

2.4.120°安装状态

因为一个电周期有6个状态，定子有3相线圈绕组，并且3个绕组有一个端是连在一起的，另外一端直接引出，有点像一颗星星，这种无刷马达的控制控制方式称为两辆导通星形三项六状态。

BLDC/三相直流无刷马达的控制方式：两两导通星形三相六状态。

（1）两两导通：指每一时刻，都有两相导通，另一相空闲。
（2）星形：指定子绕组的连接方式。
（3）三相：指定子有三个绕组。
（4）六状态：指一个电周期为6个状态。
 

2.5.霍尔元件数目的确定

有多少相，就需要多少个霍尔元件，一般的BLDE都是三相的，所以需要三个霍尔元件。
 

2.6.霍尔元件相隔的位角度

有两者位角度，一种是60°，两一种是120°。

具体使用哪一种，取决于定子的磁极对数和齿槽个数。大部分都是120°安装，某些特殊的使用60°安装。 可以装在齿的中间或是槽的中间。拿到一个BLDE电机时，需要确定霍尔的安装位置，一般马达厂会告知。
 

3.BLDC的参数

（1）输入功率和输出功率：输出功率是直接给负载使用的；输入功率也就是PCB板的输出功率。

（2）PCB输出的电压：电机驱动器输出的等效电压。

（4）PCB输出的电流：同上。

（5）转速：航模中使用的是高转速电机，但需要扭矩比较小，电动自行车使用的是低转速电机，但扭矩需要比较大。马达的功率与电机的转速和扭矩有关系，功率P = 扭矩 * 转速 * 系数。BLDE有扭矩型的，也有转速型的，高转速的马达，扭矩一般比较小，低转速的马达，扭矩一般比较大。

（6）转矩：在功率不变的情况下，转速越高，转矩/扭矩越大；转速越低，转矩/扭矩越大。
 

4.驱动器

BLDC驱动器分为方波控制驱动器（电动车上大部分使用这种)和正弦波控制驱动器(汽车上大部分使用这种）。

（1）方波控制方式相对比较简单，正弦波方式比较复杂。

（2）对于位置要求不是很严格，可以使用方波，如果对位置要求比较严格，就必须使用正弦波。

（3）方波控制器比较简单，控制算法也不会特别难。

所以市面上大部分都是使用方波控制器，对于一些高要求的，对位置要求非常精确的才使用正弦波。这里的方波和正弦波指的是马达的反电动势的波形。

这里所说的方波，严格意义上来说是一个梯形波。

反电动势为方波的又称为方波马达，反电动势为正弦波的称为正弦波马达。

马达的反电动势是怎么产生的？
定子中的线圈绕组通电，产生磁场，旋转的磁场会拉着转子运动。转子是一个永磁体，也有磁力线，转子转动的过程同时也在对定子的线圈绕组做磁力线的切割，从而会在定子的线圈绕组上产生一个电势（磁力线切割线圈，会在线圈上产生电流，线圈自身有电阻，就类似于在线圈两端产生一个电压，即电势），这个电势就称为反电动势，这和自感是完全不同的概念。
 

5.方波控制驱动器

方波控制驱动器分为有位置传感器控制和无位置传感器控制。

（1）有位置：通过霍尔元件来获得当前转子的位置，从而确定需要导通哪两个管子。
（2）无位置：需要通过反电动势进行预估来确定当前转子的位置，从而确定需要导通哪两个管子。

对于风机或是空调的压缩机而言，由于需要比较高的转速，这种情况一般使用无位置传感器的控制方式。而对于电动自行车或电动汽车，由于他们是低转速的，需要的扭矩也比较大，一般使用有位置传感器的控制方式，如果使用无位置床传感器的控制方式，会出现启动不可靠的问题。

即有位置传感器适用于低转速高扭矩的场合，无位置传感器适用于高转速低扭矩的场合。
 

6.三相直流无刷马达-有位置的驱动方式

MCU控制霍尔元件采集当前转子的位置，从而决定需要导通哪两个管子。IGBT的作用：因为MOS管的导通电压最少需要5V，而单片机的引脚一般只能输出3.3V，不足以导通MOS管。

所以需要一个电平转换电路，IGBT就是起电平转换的。 一般使用15V电压来驱动MOS管的门基。即左边输出的3.3V的PWM波形，右边的就是15V的PWM波形。
 
霍尔60°安装导通相序图：

注意：
Q1和Q0是一组桥臂，同一时刻，Q1和Q0只能有一个导通，如果都导通，就直接将电机短路了。Q3和Q2同理，Q5和Q4同理。也就是说，同一时刻，所有上桥臂只能有一个导通，所有下桥臂只能有一个导通。

这里的PWM的作用：对电机进行调速。不同的占空比输出的电压不同，从而达到调速的效果。 如果不用PWM，而是直接导通MOS管，此时电机是工作在全速状态下的；也可以直接改变DC+处的电压，从而达到调速的效果，但由于直流电压一般是稳定的，不好调节，除非做一个可以调压的开关电源，但成本非常高，

所以一般都是直接改变门级电压来达到调试效果。在每一个状态里面加一个PWM波。要注意，序号1使用PWM波导通时，其他序号的管子是关断的，可以不用通PWM，所以只需要研究六状态里面的其中一种状态，在该状态下加PWM波的情况即可，不用研究所有的状态。

转子的旋转和定子磁场的旋转是同步的。序号1导通之后，如果直接导通序号2，会导致电机失步。序号6之后，就进入了下一个周期，即接下来导通序号1。
 

7.驱动器电路设计

整个驱动器电路分为以下几个部分：
（1）桥式电路(也称为裂变电路)。
（2）霍尔的采样电路。
（3）预驱动电路：桥式电路前面的电路，即IGBT电路，主要用于电平转换。
（4）MCU部分。
（5）电路检测电路。