直流无刷电机(BLDC)
直流无刷电机(BLDC)和直流有刷电机是相对的,最明显的特点是没有换向器。转子是由永磁体构成的,定子是由铜线圈缠绕的绕组构成的。截面动态示意图如下所示.
内部结构简图是结构很简单的2极(2个磁体)3槽(3个线圈)电机。线圈采用Y形接法,使用霍尔元件为线圈供给电流,根据旋转的磁体位置来控制电流的流入和流出。霍尔元件配置在线圈和线圈之间,根据磁场强度检测产生的电压并用作位置信息。
直流无刷电机的运行方式
为了易于理解,将按照步骤①~⑥来说明无刷电机的旋转原理,图中的永磁体也从圆形简化成了矩形。
■ 步骤 ①
-
在三相线圈中,设线圈1固定在时钟的12点钟方向上,线圈2固定在时钟的4点钟方向上,线圈3固定在时钟的8点钟方向上。设2极永磁体的N极在左侧,S极在右侧,并且可以旋转。
-
使电流Io流入线圈1,以在线圈外侧产生S极磁场。使Io/2电流从线圈2和线圈3流出,以在线圈外侧产生N极磁场。
-
在对线圈2和线圈3的磁场进行矢量合成时,向下产生N极磁场,该磁场是电流Io通过一个线圈时所产生磁场的0.5倍大小,与线圈1的磁场相加变为1.5倍。这会产生一个相对于永磁体成90°角的合成磁场,因此可以产生最大扭矩,永磁体顺时针旋转。
-
当根据旋转位置减小线圈2的电流并增加线圈3的电流时,合成磁场也顺时针旋转,永磁体也继续旋转。
■ 步骤 ②
-
在旋转了30°的状态下,电流Io流入线圈1,使线圈2中的电流为零,使电流Io从线圈3流出。
-
线圈1的外侧变为S极,线圈3的外侧变为N极。当矢量合成时,产生的磁场是电流Io通过一个线圈时所产生磁场的√3(≈1.72)倍。这也会产生相对于永磁体的磁场成90°角的合成磁场,并顺时针旋转。
-
当根据旋转位置减小线圈1的流入电流Io、使线圈2的流入电流从零开始增加、并使线圈3的流出电流增加到Io时,合成磁场也顺时针旋转,永磁体也继续旋转。
-
假设各相电流均为正弦波形,则此处的电流值为Io × sin(π ⁄ 3) = Io×√3 ⁄ 2。通过磁场的矢量合成,得到总磁场大小为一个线圈所产生磁场的(√3 ⁄ 2)2 × 2 = 1.5 倍。当各相电流均为正弦波时,无论永磁体的位置在哪,矢量合成磁场的大小均为一个线圈所产生磁场的1.5倍,并且磁场相对于永磁体的磁场成90°角。
■ 步骤 ③
-
在继续旋转了30°的状态下,电流Io/2流入线圈1,电流Io/2流入线圈2,电流Io从线圈3流出。
-
线圈1的外侧变为S极,线圈2的外侧也变为S极,线圈3的外侧变为N极。当矢量合成时,产生的磁场是电流Io流过一个线圈时所产生磁场的1.5倍(与①相同)。这里也会产生相对于永磁体的磁场成90°角的合成磁场,并顺时针旋转。
■ 步骤 ④~⑥
-
以①~③相同的方式旋转。
-
如果不断根据永磁体的位置依次切换流入线圈的电流,则永磁体将沿固定方向旋转。同样,如果使电流反向流动并使合成磁场方向相反,则会逆时针旋转。下图显示了上述①~⑥每个步骤的每个线圈的电流。
无刷电机的位置检测
电机的位置,即永磁转子位置,也就是电机的电角度,如果不知道转子位置,就不知道何时驱动哪个绕组,无刷电机依靠传感器提供位置信息进行驱动的方式,称为有感驱动,霍尔传感器就是用来检测永磁体位置的。以矽睿半导体SWU332NS霍尔传感器磁场检测示意图为例,如下图所示。
在直流无刷电机中,通常会使用三个霍尔传感器来检测旋转的永磁体位置时,将霍尔元件的安装位置设置在线圈和线圈之间的中点,即1/2角度对应的位置。
假设线圈3与线圈1之间的霍尔元件为H1,线圈1与线圈2之间的霍尔元件为H2,线圈2与线圈3之间的霍尔元件为H3,则顺时针方向旋转的电流波形与霍尔元件的信号波形对比如下(中段波形)。
驱动时,由根据转子位置而变化的霍尔元件输出信号波形合成输出电流波形。合成是由H1电压波形减去H2电压波形,H2电压波形减去H3电压波形,H3电压波形减去H1电压波形。通过这些运算,可以获得相位比H1、H2和H3提前30°的正弦波形(M1、M2、M3)。只要基于这些信号生成输出电流,即可创建用于驱动具有所需相位的电机的电流波形。
要合成用于反转的输出电流信号时,需要从H2中减去H1,从H3中减去H2,从H1中减去H3。也就是说,基于M1=H2-H1、M2=H3-H2、M3=H1-H3,根据M1、M2和M3的组合波形的相位提供输出电流,即可实现反转。
直流无刷电机中霍尔元件选型指南
直流无刷电机中常用双极霍尔开关SWU332NS,该类元件高耐温,高耐压,频率高,可长时间稳定工作。
矽睿半导体霍尔开关SWU332NS是一款耐高压双极霍尔开关芯片,采用高压bipolar工艺制程。
该芯片内部由电压稳压单元、霍尔电压发生器、差分放大电路、温度补偿电路、集电极开路输出电路组成。
工作形式为输入磁感应强度,输出为数字电压信号。SWU332NS具有可耐高电压冲击,具有极强的抗噪能力;适用于各种电子消费类、汽车和工业控制等领域。并且提供TO92S和SOT23-3L两种封装形式,且封装都符合RoHS标准。
-
高灵敏度:SWU332NS能够准确响应磁场变化,实现高精度的检测和控制。
-
稳定性好:SWU332NS具有稳定的电气性能,能够在各种环境下稳定工作。
-
低功耗:SWU332NS采用了独特的时钟电路和低工作电压设计,确保了极低的功耗。
-
易于安装和维护:SWU332NS的结构牢固,体积小,重量轻,安装方便,且不易受灰尘、油污等污染或腐蚀。