无刷电机学习

转眼间已经工作好几个月了。上了班后才知道学习时间只能抽空去搞。忙里偷闲学习下电机控制。
学习参照的是正点原子的直流无刷电机驱动教程。

直流无刷电机简介

直流无刷电机（BLDC）是指无电刷和换向器的电机，又称无换向器电机。

有刷电机原理：

从上图中可以看到无刷电机和有刷电机的定子和转子是相反的。无刷电机的定子是线圈。转子是永磁体。有刷电机的话定子是永磁体，转子是线圈，这是其中一个区别。并且有刷电机还多了换向器和电刷这两个结构。具体作用如下:
换向器切换线圈中电流的流向，反转磁极的方向，使其始终向右旋转。电刷向与轴一同旋转的换向器供电。
可以详细看该图：

简化版可以看上图，上图的换向器可以看做铜片1和铜片2组成，刚开始电流方向是从铜片1->铜片2.因此根据右手定则，可以得到里面线圈的磁场方向。因此顺时针转动带动换向器转动。进而铜片2和铜片1交换方向。电流在线圈的流向发生改变。因此NS再次调转。从而可以持续不断地转动。
如果上述理解不清楚的话也可以用左手定则：

我们可以把有刷简化为下面这两幅图：

序号1为初始状态，左手定则可以看出左边受力向上，右边受力向下。因此顺时针。
旋转180度后，由于换向器的作用，D和C交换了位置。此时根据左手定则受到的力依旧没发生变化。因此继续顺时针旋转。这就是换向器的作用。想要反转，就改变电流方向。

无刷电机原理：

无刷电机分类：

分为方波驱动和正弦波驱动。方波驱动的又分为外转子和内转子BLDC。正弦波驱动的为永磁同步PMSM。前两幅图分别为内转子和外转子BLDC。第三个图为永磁同步电机。

BLDC和PMSM的不同点：

其中集中绕组和分布绕组具体如下图：

并且BLDC是绕组两两导通，PMSM是三组一起导通。

无刷电机的主要参数

极对数

定义：转子磁铁NS级的对数，它和电机旋转速度密切相关， 关系为：电角速度（电子速度 ）= 电机实际机械速度 × 极对数。电角速度单位一般是弧度/秒，电机实际机械速度单位常用转/分钟（RPM）。

举例：假设有一台无刷直流电机，其极对数为3。如果电机实际转速是1000RPM，将其换算为弧度/秒（1RPM = 2π/60 弧度/秒） ，1000RPM对应的机械角速度是\(1000\times\frac{2\pi}{60}=\frac{100\pi}{3}\)弧度/秒 ，那么电角速度就是\(\frac{100\pi}{3}× 3 = 100\pi\) 弧度/秒。在交流电机的旋转磁场理论中，极对数决定了旋转磁场的转速，极对数越多，在相同电频率下，电机实际转速就越低。

KV值

定义：表示电机在单位电压下的空载转速，单位是RPM/V（转/分钟/伏特） ，电机转速 = KV值×工作电压。KV值越大，意味着在相同工作电压下，电机转速越大。

举例：有一款航模电机，它的KV值是2200。当给它提供11.1V的锂电池（常见航模电池电压）时，根据公式可算出电机的空载转速为 2200×11.1 = 24420RPM。也就是说，这款电机在11.1V电压下，每分钟可以空转24420圈 。如果换用7.4V的电池，那空载转速就是2200×7.4 = 16280RPM。

额定转速

定义：电机在额定电流下的空载转速，通常单位用RPM（转/分钟）表示。它是衡量电机在标准工作条件下的转动快慢的参数。额定电流是指电机长时间正常运行时，允许通过的最大电流值。

举例：一台小型直流电动机，其额定电流为2A，额定转速标注为3000RPM。这就意味着，当这台电机接入合适的电源，并且通过它的电流稳定在2A ，没有机械负载（空载）的情况下，它每分钟会转动3000圈。如果实际运行电流偏离额定电流，电机转速可能会发生变化，比如电流过大，电机可能发热严重甚至转速下降；电流过小，电机可能无法达到额定转速。

转矩

定义：电机中转子产生的可以带动机械负载的驱动力矩，通常单位为牛·米（N·m）。转矩反映了电机带动负载的能力，转矩越大，电机能带动的负载就越重。

举例：以电动螺丝刀为例，一款电动螺丝刀电机的转矩是5N·m 。在拧螺丝时，如果螺丝受到的阻力矩小于5N·m，电机就能轻松带动螺丝刀头将螺丝拧紧；但如果螺丝生锈等原因导致阻力矩增大到超过5N·m ，电机就可能带不动螺丝刀头，出现拧不动螺丝的情况。再比如电动汽车，电机转矩大，就能在起步和加速时提供更强的动力，快速提升车速 ，并且能适应爬坡等需要较大驱动力的工况。
用的是正点原子的无刷电机：
引脚定义如下：

无刷电机驱动原理

需要对无刷电机内部结构图进行简化：


因此从上图可以看到最终简化出来的模型：
我们可以看到UVW两两通电有这些组合。一共包含6种。

看到这里大家可能会有疑问：
为啥红色箭头指的方向就是电机转轴在的位置呢。下面我来画图分析一下：

可以看出来，在该位置达到稳定，因此电机转轴对应该位置。同理可以分析出来这6种组合的情况。
因此有以下六种情况：

1. 给 U 接 24V、V 悬空、W 接 GND，此时电机的转轴对应上图(1)的转子位置。
2. 在上一步的基础上修改接线方式，给 U 接 24V、V 接 GND、W 悬空，此时电机的转轴对
   应上图(2)的转子位置，相较于(1)旋转了一个角度。
3. 在 2.的基础上继续修改接线方式，U 悬空，V 接 GND，W 接 24V，此时对应(3)。
4. 在 3.的基础上继续修改接线方式，U 接 GND，V 悬空，W 接 24V，此时对应(4)。
5. 在 4.的基础上继续修改接线方式，U 接 GND，V 接 24V，W 悬空，此时对应(5)。
6. 在 5.的基础上继续修改接线方式，U 悬空，V 接 24V，W 接 GND，此时对应(6)。
   同样的，如果顺序相反则无刷电机会反向旋转。同步进电机类似，实际上步进电机也算
   是无刷电机，所以无刷电机也会存在步进电机那样的问题，即丢步，原因也是定子产生的磁
   场没有来得及改变转子的位置，详细原因如下：

• 指令太急：无刷电机靠控制器发信号来改变定子磁场，实现换相转动。要是给控制器的换相指令发得太快，就像一直催一个人做事，它处理不过来，没办法及时发出下一次换相指令，电机就没法按预想的换相。
• 手脚太慢：电机里的一些电子零件，比如MOSFET ，它们在接通和断开电流的时候需要一点时间。要是换相指令变得太快，这些零件还没准备好，就会影响定子磁场正常建立，导致磁场没法及时推动转子。
• 太胖刹不住：无刷电机的转子有一定重量，就像一个胖人跑起来后很难马上停下或者转向一样，转子也有惯性。当我们突然要求它改变转动方向或者速度，它没办法一下子就跟上定子磁场的变化。
• 背的东西太重：要是电机带动的东西太重了，超过了它的能力范围，电机就很难按我们希望的那样转动。比如电机拉一辆超载的车，在换相的时候，就没力气把车拉动到该去的位置。
• 电流拖后腿：无刷电机定子绕组有电感特性，就像水流过弯弯曲曲的管道会受到阻碍一样，电流变化也会被电感阻碍。这样一来，定子磁场想要改变强度和方向，就没办法一下子完成。在快速换相的时候，新磁场不能马上到位，也就没法好好推动转子。
• 磁性“迟钝”：电机里的磁性材料有点“迟钝”，也就是磁滞现象。当我们想改变定子绕组的电流来改变磁场时 ，磁性材料不能马上跟着变，实际产生的磁场和我们想要的不一样，就影响了对转子的驱动。
• 有人捣乱：无刷电机工作的环境里，可能有一些设备会产生电磁干扰，就像有人在旁边大声喧哗影响你学习一样，这些干扰会影响控制器正常工作，让控制信号出错或者延迟，定子磁场就没法准确控制转子。
• 自身不稳：要是无刷电机的控制系统设计得不好，比如调节速度或者位置的参数没设置对，系统就会像走路不稳的人一样，摇摇晃晃或者反应慢半拍，定子磁场和转子位置就没办法配合好，出现丢步情况。

无刷电机驱动电路

从无刷电机的驱动原理我们可以得到：U相 V相 W相在6种状态中有时候需要接正极，有时候需要接负极。因此需要能够简单方便控制三相极性的切换。因此使用三相逆变电路来实现。

所谓的三相逆变电路就是由三个半桥构成的电路，图 21.2.9 中的 A+与 A-为一个半桥，
B+与 B-以及 C+与 C-各自又为一个半桥，共三个半桥；这三个半桥各自控制对应的 A、B、
C 三相绕组；当控制 A 的上桥臂 A+导通时，此时 A 相绕组接到电源正，当控制 B 的下桥臂
B-导通时，此时 B 相绕组接到电源负，所以此时电流由 A 流向 B。
所以想要控制绕组的极性，只需要控制绕组对应半桥的“上桥臂导通”或者“下桥臂导
通”就可以实现控制该相连接至“正极”或者“负极”了，但是要注意不可以同侧半桥上下
桥臂同时导通，会短路，烧毁电机！因此为了实现6步控制，如下图所示：

但是上述这种方式相当于直接把电源电压加在了电机上，电机速度一下子飙升到最大。所以一般实际控制我们都是采用PWM去控制。因为PWM可以控制占空比的大小，占空比的大小决定进入电机实际能量的多少。因此可以通过改变占空比控制转子扭矩和转速。

并且我们看出来一个周期有六个状态，所以每个相位对应60度。通常使用 PWM 控制直流无刷电机的常见方法有 5 种，分别是： PWM – ON、ON–PWM、H_ON – L_PWM 、H_PWM – L_ON、H_PWM – L_PWM。且均是电机处于 120°的运行方式下进行的。

霍尔传感器位置确认

从上图中我们可以看到有三个霍尔传感器确认当前电机的位置。霍尔期间输出高低电平。 具体对应电平对应位置如下：

不同厂家生产的电机霍尔传感器位置可能不一样，因此需要厂家会给出真值表，根据真值表去控制UVW的开启和关闭即可。

上述真值表对应的控制电路图如下图所示：
所以读取霍尔传感器的值，给对应的 U V W 相导通即可。

由实际机械角度可以进一步引出电角度这个概念。这里我们需要进一步区分下这两个概念：

• 机械角度：指的是电机转子在空间上旋转的角度，以圆周为360° 来度量。比如，电机转子从初始位置转动了半圈，那机械角度就是180°。
• 电角度：是基于电机磁场变化周期来定义的角度。对于一个具有 ( p ) 对极的电机，当转子旋转一周（机械角度360° ）时，电机内部的磁场会经历 ( p ) 个完整的变化周期。我们把磁场变化一个周期所对应的角度定义为360° 电角度。

举例说明：

• 假设有一台2极（也就是1对极， ( p = 1 ) ）的电机，当转子旋转的机械角度 ( \theta_m = 90° ) 时，根据上述公式，电角度 ( \theta_e = 1×90° = 90° ) ，此时机械角度和电角度相等。
• 再看一台4极（ ( p = 2 ) ）的电机，当转子旋转的机械角度 ( \theta_m = 90° ) 时 ，电角度 ( \theta_e = 2×90° = 180° ) ，也就是说在这台电机里，转子机械角度旋转90° ，但磁场变化了半个周期，电角度是180° 。
  这个参数在计算速度大有作用。至于如何计算后面再说。