无刷电机是指没有电刷和机械换向器的电机。
我们知道,一般有刷电机的定子是永磁体,转子是电磁铁。当转子旋转时,电刷自动切换转子电磁铁中的电流方向,使转子始终受到旋转力矩的影响而旋转。
在无刷电机中,转子是永磁体,定子是电磁体。电子换向器用于切换电磁体中的电流。由于它没有机械电刷,所以被称为无刷电机。
首先介绍几个概念,无刷电机的槽数和级数。槽数N是指定子上的电磁铁极数,极数P是指转子上的磁极数。
最简单的3N2P结构电机是定子上有三个线圈极、定子上有两个磁极的无刷电机。
3N2P无刷电机定子结构如下图:
定子有三组线圈:A、B、C。三组线圈的一端接公共点,另一端引出a、b、c三根引线。
在其中心放置一块磁铁作为定子,构成最简单的无刷电机结构,如下图:
当然,这只是结构最简单的3槽2极电机。常用的电机增加槽数和极数,以使旋转更平稳,扭矩更大。线圈的连接方式可以是星形连接或三角形连接。
同时,根据机械结构,转子是在电机内部还是外部,又可分为外转子电机和内转子电机。
现在我们了解了无刷电机的结构,那么无刷电机是如何旋转的呢?
我们还是以最简单的3N2P无刷电机为例。假设最初,我们将端子a连接到正极电源,端子b连接到负极电源,端子c悬空。那么线圈A产生的磁场方向为左上方,线圈B产生的磁场方向为正上方,磁场矢量和指向左上方。在线圈A、B磁场的作用下,转子磁体将按图中所示方向转动:
下一刻,如果将c端接正极电源,b端接负极电源,a端悬空,则磁场矢量之和将向右上方移动,转子磁铁将从下图1移动到下图2位置:
同理,如果依次给c+a-、a-b+、b+c-、c-a+、a+b-、b-c+通电,转子磁体就会循环转动。电流每切换6次,转子旋转一周。
由于三个线圈相距120,因此不难得出,两个线圈同时导通时,扭矩是单个线圈的3倍。
上述驱动方式中,每次导通两个线圈,故称为“二二导通”驱动方式;相比之下,有一种三个线圈同时导通的方法,称为“三三导通”驱动方法。
例如,当施加的电压为a+b-c-时,由于三个线圈都会产生磁场,因此定子磁铁将旋转到如下所示的位置(N极面向A线圈):
而且,由于A线圈中的电流等于B和C电流之和,因此总扭矩是A线圈扭矩的1.5倍。
不难分析,“三三传导”驱动方式也是分6步完成一圈。如果我们依次通过a+b-c-、a+b-c+、a-b-c+、a-b+c+、a-b+c-、a+b+c-循环控制线圈电压,定子也可以旋转。
上面我们分析了如何让三相无刷电机旋转。本质上,我们需要能够向三个线圈的引线点施加正电压和负电压。一般可以用下面的三相六臂全桥电路来实现。
例如上图中,如果Q1和Q4导通,而其他均不导通,则电流将从Q1流经U相绕组,然后从V相绕组流向Q4。这样,线圈就通电了。同理,Q5Q4、Q5Q2、Q3Q2、Q3Q6、Q1Q6依次导通。这也就完成了“二二传导”的6拍工作方式。
同理,三相全桥也可以实现“三三导通”控制方式。
上述全桥电路只是理论上的介绍。实际应用中,需要保证控制时同一桥臂的上下MOS管不能同时导通,否则会烧毁器件。我们可以先关闭上臂的MOS,然后打开下臂的MOS(或者先关闭下臂的MOS,然后打开上臂的MOS)。这样就避免了上下MOS同时导通的情况。这种交错的时间差一般称为死区。时间(死区时间)。很多MCU输出的PWM波可以控制死区时间的大小,方便我们的设计。