必知三相直流無刷電機怎麼接線「三相直流無刷電機原理圖」

01.概述

從簡單的鑽機到複雜的工業機器人，許多機器設備都使用無刷直流電機將電能轉換為旋轉運動。無刷直流電機也稱為BLDC電機，相比有刷直流電機具備諸多優勢。BLDC電機更高效，所需的維護更少，因而已在許多應用中取代了有刷電機。

圖一：電磁場和永磁體磁場示意圖

兩類電機的運行原理相似，均由永磁體和電磁體的磁極吸引和排斥產生旋轉運動。但這些電機的控制方式卻大不相同。BLDC需要複雜的控制器才能將單個直流電源轉換為三相電壓，而有刷電機可以通過調節直流電壓來控制。

圖二：有刷電機和直流無刷電機對比

02.直流電機的類型

1、傳統有刷直流電機

如下圖所示，在有刷直流電機中，直流電流通過轉子的線圈繞組，使電磁體產生極性。這些轉子的磁極與固定永磁體（稱為定子）的磁極相互作用，從而使轉子旋轉。

• 轉子每轉動半圈之後，需要切換線圈繞組中的電流極性，以對調轉子磁極， 使電機保持旋轉狀態。

• 這種電流極性的切換被稱為換相。

• 換相通過機械方式實現：轉子旋轉的每個半圈中，電觸頭（稱為電刷）與轉子上的換相器連成一個迴路。

• 這種物理接觸會導致電刷隨著時間推移而磨損，從而導致電機無法工作。

圖三：有刷電機工作原理示意圖

2、無刷直流電機

BLDC電機採用電子換相來代替機械換相，克服了有刷電機的上述缺陷。為了更好地理解這一點，有必要進一步了解BLDC電機結構。BLDC 電機與有刷電機構造相反，其永磁體安裝在轉子中，而線圈繞組則成為定子。

圖四：無刷直流電機工作原理示意圖

電機的磁體布局不盡相同，定子可能具有不同數量的繞組，而轉子可能具有多個極對，如下圖所示。

圖五：無刷直流電機極對數示意圖

3、模擬 BLDC 電機以觀察反電動勢曲線

BLDC 電機和 PMSM的結構類似，其永磁體均置於轉子，並被定義為同步電機。在同步電機中，轉子與定子磁場同步，即轉子的旋轉速度與定子磁場相同。

它們的主要區別在於其反電動勢（反 EMF）的形狀。電機在旋轉時充當發電機。也就是說，定子中產生感應電壓，與電機的驅動電壓反向。反電動勢是電機的重要特徵，因為其形狀決定了對電機進行最優控制所需的演算法。

BLDC電機的設計使其反電動勢呈梯形，因此一般採用梯形換相控制。BLDC 梯形反電動勢 採用梯形換相控制。

圖六：無刷直流電機反電動勢波形示意圖

PMSM 的反電動勢呈正弦波形，因此採用磁場定向控制。PMSM 正弦反電動勢採用磁場定向控制

圖七：PMSM反電動勢波形示意圖

在電機控制領域，PMSM 和 BLDC 這兩個術語有時會被混用，這可能導致對其反電動勢曲線的混淆。本文將 BLDC 電機嚴格限定為具有梯形反電動勢的電機。

圖八：BLDC電機模擬查看反電動勢波形

圖中使用Simulink模擬的是帶開路端子的單極對BLDC，即線圈中沒有電流通過。如果施加扭矩帶動轉子，電機將充當發電機。您可以測量 A 相電壓隨時間變化的情況，從而觀察電機的反電動勢形狀。電壓波形顯示 BLDC電機的反電動勢呈梯形，其中部分區域電壓持平。

4、六步換相

為了更好地理解施加外部電壓時 BLDC 電機的行為，我們將使用前面介紹的配置，其中轉子由單極對組成，而定子由夾角為 120 度的三個線圈組成。讓電流通過線圈，給線圈（此處稱為 A 相、B 相和 C 相）通電。轉子的北極用紅色表示，南極用藍色表示。

一開始，線圈沒有通電，轉子處於靜止狀態。在A相與C相之間施加電壓（如下圖所示），即會沿虛線產生複合磁場。這使轉子開始旋轉，從而與定子磁場對齊。

圖九：定子磁場產生示意圖（虛線）

線圈對共有六種通電方法，如下圖所示。每次換相後，定子磁場相應旋轉，從而帶動轉子，使之旋轉至圖示位置。在下圖中，轉子角度是相對於水平軸而言的，轉子共有六種對齊方式，兩兩相差 60 度。

圖十：線圈通電示意圖

也就是說，如果每 60 度以正確的相位執行一次換相，電機將連續旋轉，如下圖所示。此類控制被稱為六步換相或梯形控制。

圖十一：六步換相（梯形控制）

此類電機可以包含更多極對，但這就要求更為頻繁地換相。為了在合適的時機以正確的相位執行電機換相，控制器需要時刻掌握轉子的確切位置，對此通常使用霍爾感測器進行測量。

圖十二：不同極對數的電機換相角度示意圖

5、電機和扭矩產生

下圖中箭頭表示相對磁力，箭頭粗細表示場強。相同磁極相互排斥，從而使轉子逆時針旋轉。同時，相反磁極相互吸引，從而在同一方向增加扭矩。

轉子完成60度旋轉後，發生下一次換相。

圖十三：磁場作用示意圖

將先前討論的定子磁場疊加到上圖中，可以很明顯地看出，在這種換相方式中，轉子從不對齊定子磁場（圖中的黃色虛線），而是一直在追趕定子磁場。

圖十四：定子磁場和轉子磁場示意圖

在BLDC電機中採用這種方式換相有兩個原因。首先，如果允許轉子和定子磁場完全對齊，此時產生的扭矩為零，這不利於旋轉。其次，磁場夾角為90度時可產生最大扭矩。因此，目標是使該夾角接近90度。

圖十五：轉子磁場和定子磁場夾角示意圖

但在BLDC電機中，採用六步換相無法讓夾角始終保持90度，夾角將在60度和120度之間波動，如下圖所示。這是因為梯形控制的性質相對簡單。磁場定向控制等更先進的方法可實現定子與轉子磁場間90度夾角，以此產生更大的扭矩，該方法常用於之前提到的 PMSM 控制。

圖十六：轉子磁場和定子磁場夾角示意圖

6、三相逆變器的工作原理

為了在六步換相過程中控制相位，可使用三相逆變器將直流電引導到三個相，從而在正（紅）負（藍）電流之間切換。為了向其中一個相供應正電流，需要打開連接到該相的高端開關，要供應負電流，則需要打開低端開關。

圖十七：三相逆變橋示意圖

當轉子與定子磁場夾角在60至120度之間時，按上述模式執行此操作，三相逆變器可使電機保持勻速旋轉。要改變電機速度，可以調節施加的電壓。要在不改變電源電壓的前提下控制電機速度，則可以採用脈寬調製 (PWM)。