常用直流電機(jī)的種類及控制方案

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上期回顧：原來CCM和DCM區(qū)別這么大！你選對(duì)了嗎？

本期內(nèi)容

工程師朋友們，歡迎來到MPS電源小課堂。電機(jī)作為日常生活中離不開的動(dòng)力源，在新能源汽車、生活電器、工業(yè)醫(yī)療設(shè)備各種場(chǎng)景中使用，想必大家一定不陌生，但是大家知道常用的電機(jī)分類嗎？更進(jìn)一步，大家知道如何通過控制使得不同的電機(jī)轉(zhuǎn)起來嗎？

本期電源小課堂將帶大家了解常用的電機(jī)分類及其控制方法。

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電機(jī)是依據(jù)電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置，主要作用是用來產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，作為最常見的動(dòng)力源，可以說電機(jī)的使用在我們生活中無處不在（空調(diào) 洗衣機(jī) 電動(dòng)汽車 風(fēng)扇）。直流電機(jī)按照結(jié)構(gòu)及工作原理，可以分為直流有刷電機(jī)和直流無刷電機(jī)以及步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)和控制方式請(qǐng)大家移步到上期關(guān)于步進(jìn)電機(jī)的介紹。

而有刷和無刷電機(jī)的區(qū)別主要是換相方式的，有刷電機(jī)依靠電刷和換向器進(jìn)行換相實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，在性能上比較穩(wěn)定，缺點(diǎn)是換向器和電刷接觸磨損壽命較短且噪聲較大，需要定期維護(hù)及更新。相比之下，直流無刷電機(jī)由電機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成的機(jī)電一體化產(chǎn)品，通過電子換向器進(jìn)行換相，無論是電機(jī)使用壽命、還是性能效率方面，都比有刷電機(jī)更加出色。

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《步進(jìn)電機(jī)、有刷電機(jī)和無刷電機(jī)：用途及其優(yōu)缺點(diǎn)》

直流無刷電機(jī)

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《電機(jī)驅(qū)動(dòng)與位置傳感器》

直流有刷電機(jī)

知道了基本的BDC和BLDC的區(qū)別，下面我們一起看看直流有刷電機(jī)是如何轉(zhuǎn)起來的呢？

看這張BDC運(yùn)轉(zhuǎn)示意圖，有刷電機(jī)電機(jī)工作時(shí)，帶線圈的轉(zhuǎn)子和換向器旋轉(zhuǎn)，定子磁鋼和電刷不轉(zhuǎn)，就是磁極不動(dòng)，線圈旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子線圈電流方向的交替變化是由換相器和電刷來完成的。

由BDC的工作原理可知，它的調(diào)速控制也較為簡單，調(diào)整BDC供電電源電壓的高低（額定電壓12V 額定轉(zhuǎn)速，8V轉(zhuǎn)慢），調(diào)整后的電壓電流改變電極產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)弱，達(dá)到調(diào)速要求。

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BDC運(yùn)轉(zhuǎn)示意圖

常見的BDC驅(qū)動(dòng)控制電路采用H橋?qū)崿F(xiàn)，H橋能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，以電流由Out1流入，Out2流出為正（順時(shí)針旋轉(zhuǎn)），當(dāng)Q1Q4開通時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)（順時(shí)針旋轉(zhuǎn)）。

Q2Q3導(dǎo)通時(shí)，電流由Out2流入，Out1流出，為電機(jī)反轉(zhuǎn)（逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)），一般通過PWM控制H橋4個(gè)MOS管的通斷，調(diào)整BDC的電壓大小實(shí)現(xiàn)調(diào)速和正反轉(zhuǎn)控制。

Q1Q4導(dǎo)通，電流由Out1流入，Out2流出，電機(jī)正轉(zhuǎn)

Q3Q2導(dǎo)通，電流由Out2流入，Out1流出，電機(jī)反轉(zhuǎn)

BLDC，字面上看，最大的特點(diǎn)就是“無刷”——就完美避開了BDC的的幾個(gè)缺點(diǎn)， BLDC壽命長，靜音運(yùn)轉(zhuǎn)，損耗低效率高，體積小，穩(wěn)定性也好，妥妥的電機(jī)界明星，它的控制和工作方式也是今天我們介紹的重點(diǎn)！

我們來看BLDC的運(yùn)轉(zhuǎn)示意圖，和BDC定子磁鐵，轉(zhuǎn)子線圈相反，BLDC電機(jī)的轉(zhuǎn)子是永磁體，定子是線圈。

我們給定子線圈通電，這時(shí)通電線圈就是一個(gè)電磁鐵，只要給定子線圈通入適當(dāng)方向的電流，讓電磁鐵的磁極方向和轉(zhuǎn)子永磁體的磁極方向?qū)?yīng)，就能吸引或排斥轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

簡單來說，就是通過控制定子線圈的電流方向和大小來控制轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。

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《電機(jī)驅(qū)動(dòng)與位置傳感器》

直流無刷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)示意圖

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直流有刷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)示意圖

我們所看到的BLDC控制系統(tǒng)，是由6個(gè)MOSFET組成驅(qū)動(dòng)電路以及相應(yīng)的控制電路組成。

方波控制、或者正弦波（PMSM）方式控制或者FOC都是常見的控制算法。

那么問題來了，我們是如何實(shí)現(xiàn)定子電流的變化呢？

最簡單的BLDC控制就是采用兩相導(dǎo)通方式，在每個(gè)控制周期下，只有兩相定子繞組線圈處于導(dǎo)通狀態(tài)，第三相懸空，轉(zhuǎn)子位置每變化60°電角度進(jìn)行一次換相控制，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置的不同，按照AB-AC-BC-BA-CA-CB這6個(gè)節(jié)拍，每個(gè)MOS管按照Q1Q4—Q1Q6--Q3Q6—Q3Q2—Q5Q2—Q5Q4的順序?qū)?，?qū)動(dòng)定子繞組，就能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，這就是最經(jīng)典的六步法控制。

① Q1Q4導(dǎo)通，AB相導(dǎo)通，C相懸空

② Q1Q6導(dǎo)通，AC相導(dǎo)通，B相懸空

③Q3Q6導(dǎo)通，BC相導(dǎo)通，A相懸空

④Q3Q2導(dǎo)通，BA相導(dǎo)通，C相懸空

⑤Q5Q2導(dǎo)通，CA相導(dǎo)通，B相懸空

⑥Q5Q4導(dǎo)通，CB相導(dǎo)通，A相懸空

到這步，我們已經(jīng)知道了控制轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的六步法，相信大家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了盲點(diǎn)——我們?cè)趺粗涝谀膫€(gè)時(shí)刻該驅(qū)動(dòng)哪個(gè)繞組呢？

答案就是：根據(jù)轉(zhuǎn)子位置！

如何檢測(cè)轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置呢？常見的思路就是采用位置傳感器，比如霍爾傳感器、磁編碼器、光編碼器等。

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關(guān)于BLDC的無位置傳感器控制方式，我們將在后面為大家詳細(xì)講解，歡迎大家持續(xù)關(guān)注MPS電源小課堂和MPS微信公眾號(hào)，學(xué)習(xí)更多干貨知識(shí)。