无人值守的无刷直流电机系统

在完全沉浸在汽车驾驶员文化中仅仅几年之后，我很容易理所当然地认为大多数人不熟悉机电纺纱。这让我进入了多次对话，在这种对话中，我应该笨拙地抛出铁锹，而不是将自己挖到更深的洞里。

但我觉得我有义务尝试教育其他人这个主题，因为我很少看到大学课程中的电机不属于抽象控制理论。我的目标是尝试简单地解释无刷直流电机。

在所有电动机中，存在称为“换向”的概念，其描述了为了移动物理转子轴而切换电流（以某种方式）的过程。当流过线圈的电流产生与通常由永磁体产生的某些现有场相对或吸引的磁场时，发生移动。该力引起转子（电动机的旋转部分）相对于定子（电动机的静止部分）的移动。

磁铁是换向的一个很好的类比。当您将两个磁铁放在一个面对相同磁极的桌子上时，它们会相互推开。一旦他们远离彼此，他们就会停止移动。如果你拿一块磁铁并将其移向第二块磁铁，第二块磁铁将再次被推开。如果继续这样做，磁铁将继续移动;这是换向的线性例子。

有刷直流电机实现机械换向，这意味着电机的物理结构实际上导致电机换向。刷子与换向器（恰当地命名）接触，当电动机使电流旋转时，电动机线圈将交替极性。这允许由定子上的永磁体产生的磁场始终与转子上的磁场相对，因此总是产生力。机械换向意味着有刷直流电机只需在电机绕组上施加一些电压即可旋转，如图1所示。

图1有刷直流电机结构

在这一点上，许多读者可能会在混乱中看到这篇文章的标题，因为我还没有谈论无刷直流电机。然而，为了解释“无刷”，我需要首先解释一下刷子的用途。

无刷电机的起源从一开始就相对简单：刷式直流电机的大部分问题都来自电刷。电刷可能会产生火花，磨损，产生很大的噪音，造成大量的功率损失，导致显著的速度限制并且不易冷却。这意味着您不应在易燃物品周围使用有刷直流电机，任何需要长寿命的物品，任何需要安静或需要高效率的应用，任何高速系统或任何高功率应用系统，那些是很重要的限制！你可以通过取消刷子来解决这些问题，但遗憾的是它消除了机械换向。

缺乏机械换向会导致额外的问题。电机仍然需要整流;但是，你（设计师）现在负责它。无刷电机使用电气换向，这是一种奇特的说法，“你需要确保电机中的电流始终产生一个可以移动转子的磁场。”但是看看图2，你怎么知道转子是这样你可以知道如何应用电流来移动它？

图2无刷直流电机结构

无刷直流电机系统的第一个主要架构决策是“感知”和“无传感器”之间的区别。（正如我写这篇文章时，我不断被提醒有关这两个词经常被标记为拼写检查的巨大讽刺“审查”和“无意义”。）您需要知道转子的位置，并且您有两种主要方法可以解决这个问题：

•传感方法通常使用霍尔效应传感器（或霍尔元件）或编码器来检测转子位置。虽然编码器可以提供非常精确的角度反馈，但它们可能很昂贵。霍尔效应传感器是一种流行的磁传感器。在三相无刷直流电机中，实现三个霍尔效应传感器为换向提供了简单的六个步骤。

•无传感器位置估算方法通常涉及测量或估算电机旋转时产生的反电动势（EMF）。反电动势是一个最适合不同时间的复杂主题，但简单地说，它是电动机线圈上产生的电压，它是电动机速度和电动机负载的函数。无传感器方法本质上是估计，并且通常需要复杂的计算。随着电机速度的降低（例如位置控制伺服），无传感器方法变得越来越困难因为反电动势随着速度而降低。

无刷直流电机系统的第二个主要架构决策是控制方法。如果您知道或者您认为您知道 转子所在的位置，您需要施加一定的电流来移动电机。三相无刷直流电机至少需要六种不同的状态。如果您不相信我，请查看图3.这很简单，您可以使用称为“梯形”，“六步”或“120度”的控制方法对无刷直流电机进行换相。

图3传感梯形换向

或者，您可以将更平滑的电流波形应用于电机;这被称为“正弦”控制或“180度”。当与正确的电机一起使用时，这种控制方法可以提高效率并降低与梯形控制相比的可听噪声。缺点是为了实现平滑的电压和电流曲线而增加了复杂性，通常需要高度精确的脉冲宽度调制（PWM）定时器。

图4正弦换向

在撰写这篇简短的文章时，我很快意识到这个主题究竟有多广泛。有一些细节，如磁场定向控制，电机启动，内转子与外转子，极数，三角形与Y形绕组，以及我没有时间在这里介绍的许多其他细节。但是，我希望我能让你们中的一些人对你的电机知识更加了解。