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無刷直流（BLDC）電機變得越來越流行，原因不言自明，因為使用傳統(tǒng)電機時始終會有電刷磨損，更換為電子控制器后將會大大提升設(shè)備的的可靠性。而且在保持同等功率輸出的情況下，BLDC 電機可以做得更小、更輕，特別適合空間受限型應(yīng)用。

由于 BLDC 電機的轉(zhuǎn)子和定子之間不存在機械和電接觸，因此需要替代方法來指示零部件的相對位置，從而實現(xiàn)電機控制。 BLDC 電機使用兩種方式之一來實現(xiàn)此目的，即采用霍爾傳感器或測量反電動勢。

廢除傳感器

BLDC 電機去掉了組成傳統(tǒng)裝置機械換向器的磨損零件（改進了可靠性）此外，BLDC 電機具有高扭矩/電機尺寸比率，快速動態(tài)響應(yīng)能力，且?guī)谉o工作噪聲。

BLDC 電機歸類為同步設(shè)備，因為轉(zhuǎn)子和定子的磁場頻率相同。定子由鋼片組成，軸向開槽以便沿著內(nèi)部圓柱面容納奇數(shù)個的繞組。轉(zhuǎn)子采用永久磁體制造，具有兩到八個 N-S 磁極對。

BLDC 電機的電子換向器順次激勵定子線圈，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電磁場，從而“拖拽”圍繞它的轉(zhuǎn)子。通過確保線圈在正確的時間獲得精確地激勵來實現(xiàn)有效運轉(zhuǎn)。

傳感器很有用，但會增加成本，增加復(fù)雜性（由于需要附加繞組），并降低了可靠性（部分原因是傳感器連接更容易受到灰塵和潮濕環(huán)境的污染）。無傳感器控制方式解決了這些不足。

利用反電動勢

電機的繞組切過磁力線時就象一個發(fā)電機。此時會在繞組中產(chǎn)生電勢，以電壓表示，稱作電動勢（EMF）。按照倫茨定律，這一電動勢會產(chǎn)生二次磁場，對抗驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)的磁通量的原始變化。簡而言之，這種電動勢會阻礙電機自然運動，因而稱之為“反”電動勢。在既定電機磁通量和繞組數(shù)固定的情況下，電動勢的幅度與電機的角速度成正比。

BLDC 電機制造商指定了一個稱“作反電動勢常數(shù)”的參數(shù)，用來估計既定速度的反電動勢。通過從供應(yīng)電壓中減去反電動勢即可計算出繞組上的電勢。電機是這樣設(shè)計的，當(dāng)它們以額定速度運轉(zhuǎn)時，反電動勢和供應(yīng)電壓間的電勢差將會引起電機消耗額定電流并輸出額定扭矩。

驅(qū)動電機超出額定速度時會大幅增加反電動勢，從而降低了繞組的電勢差，反過來減少了電流并降低了扭矩。更快地推動電機仍會引起反電動勢（加上電機損耗）完全等于供應(yīng)電壓——此時，電流和扭矩都將為零。

因為反電動勢會降低電機扭矩，這有時是一種劣勢，但對于 BLDC 電機，工程師卻可以將這種現(xiàn)象轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)勢。

三相 BLDC 電機變換序列的各個階段是通過正向激勵一個繞組、反向激勵第二個繞組，然后讓第三個繞組開路來實現(xiàn)的。圖 1 顯示了此類電機的第一個六階段換向序列的簡化示意圖。

霍爾效應(yīng)傳感器式替代反電動勢的方法

圖 1：針對 BLDC 電機的第一個六階段電循環(huán) 線圈 A 正向激勵，線圈 B 為開路，C 反向激勵（Microchip 提供）。

使用霍爾傳感器的 BLDC 電機使用受 MCU 控制并通過驅(qū)動器操作的設(shè)備產(chǎn)生的輸出，來切換絕緣柵雙極晶體管（IGBT）或金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）以正常順序激勵線圈。當(dāng)霍爾傳感器輸出變化狀態(tài)時，這些晶體管就會觸發(fā)（同時線圈會被激勵）。¹

BLDC 電機的無傳感器變型電機，則無霍爾效應(yīng)傳感器。相反，當(dāng)電機旋轉(zhuǎn)時，三個線圈中的反向電動勢會以梯形（長虛線）方式變化，如圖 2 所示。為便于比較，同一圖中也顯示了類似配置電機的霍爾傳感器的輸出。

霍爾效應(yīng)傳感器式替代反電動勢的方法

圖 2：三相 BLDC 電機的霍爾傳感器輸出與反電動勢之比較注意，霍爾傳感器的切換方式與跨過無傳感器電機中零點時相應(yīng)線圈的反電動勢是一致的（Microchip 提供）。

所有三個零交叉點的組合用來決定線圈的激勵序列。注意，傳統(tǒng) BLDC 電機中單個霍爾傳感器變化輸出，與無傳感器電機中單個線圈的反電動勢零交叉點之間有一個 30 度的相位差。因此，在檢測到零交叉點之后，我們會在無傳感器電機電路的固件中內(nèi)置一個 30 度相位延遲，然后再激活激勵序列中的下一個動作。圖 2 中，短虛線表示線圈中的電流。

圖 3 顯示了無傳感器三相 BLDC 電機的一個控制電路。在這種情況下，該電路使用了 Microchip PIC18FXX31 8 位 MCU 來產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制（PWM）輸出，以觸發(fā)三相逆變器橋中的 IGBT 或 MOSFET。該 MCU 對來自反電動勢零交檢測電路的輸入作出反應(yīng)。

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