前言

系列文章將更新直流無刷電機的工作原理、仿真控制以及應用STM32開發板與驅動板完成對直流無刷電機的實際控制。

一、直流無刷電機簡介

直流無刷電機（Brushless Direct Current Motor，BLDC）沒有了直流有刷電機的電刷及換向器等結構，線圈繞組不參與旋轉而是作為定子，永磁體作為轉子，通過控制線圈電流方向來改變磁場方向，從而使轉子持續旋轉。 與直流有刷電機相比直流無刷電機使用壽命長、噪音低、轉速快，但是價格較高，控制較為復雜。 下圖為直流有刷電機與直流無刷電機的結構圖對比。

二、直流無刷電機的工作原理

通電導體產生磁場，方向由安培定則確定。 磁場具有同性相吸，異性相斥的特性，BLDC正是利用通電線圈與永磁體的相互作用原理實現旋轉，如下圖所示。

兩邊的線圈（定子）通電后，由安培定則可知兩個通電線圈將產生方向向右的磁場，此時中間的永磁體（轉子）會盡量使自己的內部磁感應線方向與外部磁感應線方向一致，形成一個最短磁力閉合回路，N極與S極相互吸引，從而使永磁體順時針旋轉。 當永磁體旋轉至水平位置時將不受外部磁場作用力，但由于慣性作用永磁體還會繼續沿順時針轉動，此時交換兩個線圈中的電流方向，轉子會繼續沿順時針方向轉動，周而復始使永磁體一直沿順時針旋轉。

直流無刷電機的機構簡圖如上圖所示，定子繞組為三相星型聯結，加上轉子位置如下圖所示：

在A相加電源正極，B相加電源負極，線圈A、B將產生如上圖所示的磁場BA、BB，由于磁場是矢量，所以線圈BA、BB產生的合成磁場為B，此時轉子就會保持在圖中位置。 BLDC的運行方式為繞組的兩兩導通，所以三相線圈A 、B、C的導通組合只有6中情況，通過合理的順序依次切換三相繞組的通電順序就可使轉子跟著磁場旋轉起來，如下圖所示：

1）A端接正電壓，B端接負電壓，C端懸空，轉子將會旋轉至上圖1位置；

2）在1）的基礎上，C端接正電壓，B端接負電壓，A端懸空，轉子將會從上圖1位置旋轉至圖2位置；

3）在2）的基礎上，C端接正電壓，A端接負電壓，B端懸空，轉子將會從上圖2位置旋轉至圖3位置；

4）在3）的基礎上，B端接正電壓，A端接負電壓，C端懸空，轉子將會從上圖3位置旋轉至圖4位置；

5）在4）的基礎上，B端接正電壓，C端接負電壓，A端懸空，轉子將會從上圖4位置旋轉至圖5位置；

6）在5）的基礎上，A端接正電壓，C端接負電壓，B端懸空，轉子將會從上圖5位置旋轉至圖6位置；

當轉子旋轉至上圖6的位置時，重復1）的通電狀態，轉子將會從上圖6的位置旋轉至圖1的位置。經過上述6個過程轉子剛好旋轉一圈，這種驅動方法即為BLDC的6步換相控制。通過三相逆變電路可以簡單方便的實現BLDC的六步換相，如下圖所示：

注：上述圖片U、V、W分別對應A、B、C三相輸入端。

上述六步換向法驅動BLDC的前提條件是我們必須知道電機轉子的當前位置，無刷直流電機一般配有霍爾傳感器用于獲取電機轉子位置。霍爾器件搭配外圍電路可將檢測到的磁場的變化轉換為高低電平信號進行輸出，以霍爾傳感器為參照物，定子旋轉時霍爾信號檢測到的磁場變化及輸出信號如下圖所示：

同無刷直流電機均勻分布的定子一樣，用于輸出3路磁場信號的3個霍爾傳感器也是均勻分布在無刷直流電機的一周，相鄰兩個傳感器的電角度相差120°。電機按一定方向轉動時，三路霍爾信號的輸出會按照六步的規律變化，如下圖所示：

通過三路霍爾信號的輸出波形就可判斷出無刷直流電機當前的轉子位置，三路霍爾信號的輸出波形同樣滿足六步一周期，再根據當前轉子位置進行三相逆變電路上下橋臂的導通，如下表所示：

注：不同電機的六步換相控制邏輯表不同

由上述分析可推出無刷直流電機六步換相的驅動整體驅動方案如下：

三、直流無刷電機的驅動及仿真

由上述分析的無刷直流電機的工作原理，采用六步換相法驅動直流無刷電機的轉動（開環驅動，速度不可調）。

3.1、Matlab/Simulink仿真

在Matlab/Simulink中搭建仿真模型如下，該模型采用六步換向法對電機進行開環控制，轉速不可調。

注：該模型采用離散求解器沒有運行結果，至今未查明原因

3.1.1、仿真電路分析

主電路包括：三相逆變電路和BLDC直流無刷電機兩部分，BLDC的電機額定功率設置為1kw，額定電壓500V，額定轉速3000RMP，采用恒功率負載TL設置為10/π，電機具體參數如下所示。

控制部分包括：霍爾信號處理和六步換相兩部分。 根據霍爾信號判斷轉子當前所在的位置進而控制三相逆變電路的兩兩導通，根據設定Driection值進行電機正反轉驅動。 該電機的換相表如下所示。

信號監測：監測BLDC輸出的信號。

3.1.2、仿真結果分析

3.1.2.1、電機正轉

Direction設置為1，實現電機正轉。

電機轉速：在0.1s加入額定負載TL

Hall信號：

反電動勢：梯形波

電機定子電流：

電磁轉矩：

轉子位置：

3.1.2.2、電機反轉

Direction設置為0，實現電機反轉。

電機轉速：在0.1s加入額定負載TL

Hall信號：

反電動勢：梯形波

電機定子電流：

電磁轉矩：

轉子位置：

總結

本章節分析了直流無刷電機的工作原理，并通過Matlab/Simulink采用六步換相法實現了直流無刷電機的驅動及正反轉控制，為后續章節的分析奠定基礎