分享這篇好文章，了解STM32微控制器開發(fā)中常用的無刷直流電機(jī)。
無刷直流電機(jī)簡介
直流無刷電機(jī)，英文縮寫為BLDC（Motor）。 電機(jī)的定子是線圈或繞組。 轉(zhuǎn)子是永磁體，也就是磁鐵。 根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置，用單片機(jī)控制各個(gè)線圈的通電，使線圈產(chǎn)生的磁場發(fā)生變化，從而不斷吸引前面的轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。 這就是無刷直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)原理。 讓我們仔細(xì)看看。
無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)
讓我們從最基本的線圈開始。 如下所示。 線圈可以被認(rèn)為是像彈簧一樣生長的東西。 根據(jù)初中時(shí)學(xué)過的右手螺旋法則，當(dāng)電流從線圈的上流向下時(shí)，線圈頂部的極性為N，底部的極性為S。
現(xiàn)在再制作一個(gè)像這樣的線圈。 然后嘗試一下這個(gè)位置。 這樣，如果電流通過它，它就會(huì)像有兩個(gè)電磁體一樣。
再取一根來構(gòu)成電機(jī)的三相繞組。
再加上永磁體制成的轉(zhuǎn)子，就是無刷直流電機(jī)。
無刷直流電機(jī)電流換相電路
無刷直流電機(jī)之所以只使用直流電源而不使用電刷，是因?yàn)橛幸粋€(gè)外部電路專門控制其線圈的通電。 這種電流換向電路最重要的元件是FET（場效應(yīng)晶體管，F(xiàn)ield-）。 將 FET 視為開關(guān)。 下圖將 FET 標(biāo)記為 AT（A 相頂部）、AB（A 相）、BT、BB、CT 和 CB。 FET 的“打開和關(guān)閉”由微控制器控制。
使用霍爾傳感器確認(rèn)轉(zhuǎn)子位置
霍爾傳感器可以通過霍爾效應(yīng)（Hall）來檢測磁場強(qiáng)度的變化。 根據(jù)高中物理中學(xué)到的左手定則（用于確定磁場中帶電導(dǎo)體受力的方向），在霍爾傳感器所在的電路中，磁場使帶電粒子的運(yùn)動(dòng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，帶電粒子“撞擊”霍爾傳感器兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生電位差。 這時(shí)可以在霍爾傳感器的兩側(cè)連接一個(gè)電壓表來檢測這個(gè)電壓變化，從而檢測磁場強(qiáng)度的變化。 原理如下圖所示。
電角與機(jī)械角的關(guān)系
雖然在這里插入這么一點(diǎn)知識(shí)有點(diǎn)奇怪，但我還是覺得有必要直流電動(dòng)機(jī) 高中物理，因?yàn)槲覍W(xué)的時(shí)候感覺不太好理解。 這里以霍爾傳感器為例可能更容易理解。 機(jī)械角是電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)際旋轉(zhuǎn)的角度。 電角和機(jī)械角的關(guān)系與轉(zhuǎn)子的極對數(shù)有關(guān)。
電氣角度 = 極對數(shù) x 機(jī)械角度因?yàn)榫€圈產(chǎn)生的磁場實(shí)際上會(huì)吸引轉(zhuǎn)子的磁極。 所以對于電機(jī)的旋轉(zhuǎn)控制，我們只關(guān)心電角度。
如何控制無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速？
線圈兩端的電壓越大，通過線圈的電流越大，產(chǎn)生的磁場越強(qiáng)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)得越快。 因?yàn)檫B接的電源是直流的物理資源網(wǎng)，所以我們通常采用PWM（Pulse Width，脈沖寬度調(diào)制）來控制線圈兩端的電壓。 PWM的簡單原理如下。
因此直流電動(dòng)機(jī) 高中物理，當(dāng)無刷直流電機(jī)通電時(shí)，利用單片機(jī)產(chǎn)生的PWM不斷控制場效應(yīng)管的開通和閉合，可以使線圈反復(fù)處于通電、通電、斷電的狀態(tài)。 當(dāng)通電時(shí)間長（占空比大）時(shí)，線圈兩端等效電壓大，產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度強(qiáng)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)快； 當(dāng)通電時(shí)間短（占空比小）時(shí)，線圈兩端的等效電壓小，產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度弱，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)緩慢。
PWM波形連接到FET的柵極來控制FET的打開和關(guān)閉。 假設(shè)當(dāng)Gate上的電壓較高時(shí)，F(xiàn)ET關(guān)閉并導(dǎo)通； 當(dāng)柵極上的電壓較低時(shí)，F(xiàn)ET 打開并且不供電。
而且，同相的上下場效應(yīng)管必須采用反相PWM波形控制，防止上下場效應(yīng)管同時(shí)導(dǎo)通，導(dǎo)致電流上下相同，不經(jīng)過上、下場效應(yīng)管。電機(jī)，造成短路。
無刷直流電機(jī)有以下三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：