無刷電機(jī)的特性

這里的“特性”是指電機(jī)結(jié)構(gòu)（非電路）方面的特性、電路的各種工作和電機(jī)輸出（轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩）。所要介紹的特性也是在開發(fā)無刷電機(jī)和討論相關(guān)內(nèi)容時(shí)，大家都知道、并認(rèn)為是理所當(dāng)然的事情、經(jīng)常提到的內(nèi)容。這些都是電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的開發(fā)人員應(yīng)該裝入大腦知識(shí)寶庫中的內(nèi)容，需要認(rèn)真對(duì)待。

實(shí)際的電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形也有一些是在設(shè)計(jì)圖（即時(shí)序圖）中無法體現(xiàn)的。接下來將為您介紹其中無法通過此前的介紹內(nèi)容理解的一些關(guān)鍵要點(diǎn)。

無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的實(shí)際信號(hào)波形

①繞組電流與感應(yīng)電壓
②脈沖狀的施加電壓
③繞組引腳OFF期間的波形續(xù)流二極管
④電源電流

首先，我們從驅(qū)動(dòng)無刷電機(jī)的實(shí)際信號(hào)中選取了一些在以往的介紹中無法簡單講明白的要點(diǎn)進(jìn)行介紹。

無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的實(shí)際信號(hào)波形

通常需要使用示波器來觀察電機(jī)電氣方面的表現(xiàn)。示波器可以監(jiān)測電路的電壓值或電流值。我們用示波器來嘗試監(jiān)測基于下面電路圖的電路板上的信號(hào)，可以看到在示波器顯示屏上出現(xiàn)了下圖所示的波形。

這些是電機(jī)驅(qū)動(dòng)中常見的信號(hào)波形，從上到下依次是U相的高邊柵極信號(hào)（UH）、低邊柵極信號(hào)（UL）、U相繞組引腳電壓、U相繞組電流和電源電流。這些波形的特點(diǎn)僅靠此前“時(shí)序圖”中的知識(shí)是無法講明白、無法理解的。在實(shí)際運(yùn)行電機(jī)時(shí)，會(huì)生發(fā)出很多疑問，比如“為什么會(huì)這樣？

下面按順序列舉了幾點(diǎn)，這幾點(diǎn)應(yīng)該都是無法通過此前的內(nèi)容理解的。編號(hào)與上圖“示波器畫面”中顯示的編號(hào)一致。

①U電流為什么會(huì)呈現(xiàn)這樣的波形？
②可以明白UH、UL的信號(hào)和波形，但放大后UH卻呈脈沖狀（ON/OFF反復(fù)）。
③可以明白U電壓（U相繞組引腳電壓）在UH呈脈沖狀的部分隨著UH呈脈沖狀，在UL導(dǎo)通（ON）的部分為GND電位，但在UH和UL關(guān)斷（OFF）期間的斜率波形是怎樣的？
④電源電流中含有哪些信息？該電流也是脈沖狀的。

對(duì)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)和了解電機(jī)特性而言，這些都涉及到非常重要的項(xiàng)目，因此在接下來的文章中我們將依次進(jìn)行介紹。

我們先來了解一下①U電流：
“U電流”是繞組電流。要了解該波形，首先需要了解繞組電流和感應(yīng)電壓。

與無刷電機(jī)的感應(yīng)電壓波形息息相關(guān)的繞組電流

在此前相關(guān)解說的基礎(chǔ)上，我們再次來探討一下繞組電流波形。

考慮到無刷電機(jī)的線圈會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，所以在“無刷電機(jī)的繞組電流”所示的等效電路圖中增加了感應(yīng)電壓（Vbemf）。這樣的話，如果是下圖所示的施加電壓和感應(yīng)電壓波形，則實(shí)際施加于線圈的電壓將是圖中灰色部分的電壓。

從上圖中可以看出，實(shí)際施加在該繞組線圈上的電壓開始時(shí)很大，中間變小，然后又變大。由于電壓波形（灰色部分）的形狀如此，所以繞組電流就是中間凹陷狀的波形。

講到這里，您的腦中是不是浮現(xiàn)出了“如果施加電壓和感應(yīng)電壓的大小發(fā)生變化，那么繞組電流的大小及其波形也會(huì)隨之變化”呢？施加電壓是控制IC可以控制的電壓，而感應(yīng)電壓則會(huì)因各種條件而變化。就如此前曾經(jīng)介紹過的，感應(yīng)電壓是通過線圈的磁通量的變化量，因此關(guān)于感應(yīng)電壓的大?。ǚ逯担?，可以說：

?磁體的磁力越大感應(yīng)電壓越大 ← 因?yàn)榇磐康慕^對(duì)量增加
?線圈的匝數(shù)越多感應(yīng)電壓越大 ← 因?yàn)榘l(fā)電的線圈量增加
?電機(jī)的轉(zhuǎn)速越快（越高）感應(yīng)電壓越大 ← 因?yàn)榇磐康淖兓兛?。反之則越小

在這里就不再贅述嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摿?，需要知道的是，感?yīng)電壓的大小在這樣的條件下會(huì)發(fā)生變化。

下圖給出了當(dāng)感應(yīng)電壓的大小發(fā)生變化時(shí)，電流波形的變化示例。當(dāng)感應(yīng)電壓越大且接近施加電壓的大小時(shí)，電流中央的凹陷程度將會(huì)更明顯（下圖上側(cè)）。另外，在施加電壓的時(shí)間點(diǎn)電流波形也會(huì)發(fā)生變化，該變化與感應(yīng)電壓的大小無關(guān)（下圖下側(cè)）。

這是以120度激勵(lì)（矩形）為例的波形變化情況，當(dāng)然，在其他的激勵(lì)模式下，繞組電流也會(huì)因感應(yīng)電壓的大小、位置以及形狀而變化。這會(huì)對(duì)電機(jī)的特性產(chǎn)生各種影響，后續(xù)我們會(huì)探討相關(guān)的內(nèi)容。

無刷電機(jī)的繞組電流

流過電機(jī)繞組的電流是決定繞組磁場大小、乃至轉(zhuǎn)矩大小的重要因素。因此，我們需要充分理解電流是如何決定這些參數(shù)的。本文將使用“無刷電機(jī)時(shí)序圖的繪制方法”中給出的120度激勵(lì)電流波形進(jìn)行解說。

120度激勵(lì)的電流將以360度的電角度（1個(gè)電周期）切換6次。具體而言，比如在下圖中，從U相流向V相的電流體現(xiàn)為“從U相切換為W相”，這樣的動(dòng)作執(zhí)行6次。

在這樣的切換過程中，流動(dòng)的電流會(huì)暫時(shí)下降后再恢復(fù)。另外，當(dāng)電流在其他相流動(dòng)時(shí)（例如電流從V相流向W相時(shí)的U相），U相電流不會(huì)流動(dòng)，因此電流值會(huì)變?yōu)榱?。在?fù)電流側(cè)也是如此。

這就是120度激勵(lì)的電流波形會(huì)呈現(xiàn)圖中所示波形的一個(gè)原因，不過還有一部分是用這個(gè)原因解釋不了的。例如，在圖中的“U?V”范圍內(nèi)，曾經(jīng)變大的電流在短暫減小后再次變大。為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的波形呢？

為了便于解說，我們先來溫習(xí)一下線圈電流相關(guān)的理論知識(shí)。理想的線圈是用電感來表示的，但實(shí)際上里面含有有電阻值，因此在電路中可用下圖的形式來體現(xiàn)。在這個(gè)電路中，當(dāng)施加了電壓時(shí)，電流波形應(yīng)該是如圖所示的波形，電流不會(huì)短暫減少。

實(shí)際上，可以說形成這種增減狀態(tài)的電流波形的主要原因，正是使無刷電機(jī)的控制難度增加的因素之一。其主要原因是線圈的發(fā)電。

此前我們也提到過，電機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種設(shè)備，對(duì)于使用永磁體的電機(jī)而言，只要利用外力使之旋轉(zhuǎn)就可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，也就是所謂的“發(fā)電機(jī)”。而且，這種發(fā)電現(xiàn)象不僅發(fā)生在借助外力旋轉(zhuǎn)時(shí)，其實(shí)也發(fā)生在“自轉(zhuǎn)時(shí)”。這種由永磁體和線圈產(chǎn)生的發(fā)電電壓被稱為“感應(yīng)電動(dòng)勢”、“反電動(dòng)勢”、“感應(yīng)電壓等，有時(shí)也被表述為“BEMF（ack electromotive force）”。在這里我們將其稱為“感應(yīng)電壓”。

這種感應(yīng)電壓是繞組電流增減的主要原因。

無刷電機(jī)感應(yīng)電壓產(chǎn)生的原理

無刷電機(jī)是通過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)而在線圈（繞組）上產(chǎn)生感應(yīng)電壓的。這種感應(yīng)電壓會(huì)對(duì)電機(jī)的特性產(chǎn)生不同程度的影響，因此與“繞組電流”一樣，我們也需要了解這種感應(yīng)電壓。

首先，請回憶一下在學(xué)校物理等課程中學(xué)過的“電磁感應(yīng)”。線圈試圖阻止磁場（磁通量）發(fā)生變化。例如，如下圖所示，隨著N接近線圈，通過線圈的磁通量會(huì)逐漸增加，因此線圈電流沿著產(chǎn)生與之排斥的磁場的方向流動(dòng)。該電流使得線圈兩端產(chǎn)生電壓。相反，隨著N遠(yuǎn)離線圈，線圈試圖維持磁場的方向，因此在靠近時(shí)會(huì)產(chǎn)生反向的電流和電壓。這種產(chǎn)生電壓的現(xiàn)象叫做“電磁感應(yīng)”。此時(shí)的電流被稱為“感應(yīng)電流”，電壓除了這里使用的“感應(yīng)電壓”外，還被稱為“感應(yīng)電動(dòng)勢”、“反電動(dòng)勢”等。

*圖中磁體磁場的箭頭表示磁場大小的變化。實(shí)際上線圈內(nèi)并不會(huì)發(fā)生像圖中那樣大小的不均勻。

對(duì)于無刷電機(jī)而言，與其說磁體靠近或遠(yuǎn)離，不如說通過線圈的磁通量會(huì)因轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而變化，因而產(chǎn)生與其變化量相應(yīng)的感應(yīng)電壓（上圖右側(cè)）。

在考慮通過線圈（齒槽）的磁通量變化量時(shí)，需要知道“在不同的位置轉(zhuǎn)子表面的磁通量大小不同”這一點(diǎn)。有的轉(zhuǎn)子磁通密度基本均勻，也有的轉(zhuǎn)子如下圖所示，磁通密度大小在圓周方向呈正弦波狀分布。后者這種轉(zhuǎn)子有“正弦波著磁轉(zhuǎn)子”等稱呼。在這種著磁的情況下，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)發(fā)生如上圖右側(cè)所示的磁通量變化。

無刷電機(jī)的感應(yīng)電壓波形

無刷電機(jī)的感應(yīng)電壓是通過線圈的磁通量變化作為電壓體現(xiàn)出來了。這里所說的“通過線圈的磁通量”是指進(jìn)入繞線齒槽的磁通量。

我們先來談?wù)勥@個(gè)“進(jìn)入齒槽的磁通量”。電機(jī)磁體和線圈的位置關(guān)系如下圖所示。也就是說，可以認(rèn)為每個(gè)齒槽中會(huì)通過與該齒槽相對(duì)的磁體的磁通量。

接下來我們以圖中所示的表面磁通量（兩種模式）為例，來思考進(jìn)入齒槽的磁通量。

該圖用轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一圈（360度）的細(xì)分圖來表示圖上方的結(jié)構(gòu)圖所示的“表面磁通量顯示點(diǎn)”的位置對(duì)面的轉(zhuǎn)子表面磁通量的大小。另外，還計(jì)算了進(jìn)入齒槽的總磁通量，同樣是按照360度計(jì)算的。該總磁通量是通過將齒槽相對(duì)的磁體的磁通量（圖中的“進(jìn)入齒槽的磁通量范圍”）相加計(jì)算得出的。也就是說，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)、位置改變時(shí)，磁通量就會(huì)發(fā)生變化。

例如，在0度的轉(zhuǎn)子位置上，齒槽對(duì)面的磁極由于N和S等量，因此齒槽磁通量為零；在90度的位置上，與N的中心相對(duì)，因此齒槽磁通量最大。如果按360度計(jì)算，那么在正弦波著磁的情況下，齒槽磁通量（總磁通量）也是正弦波的。

而且，這種齒槽磁通量的變化（微分）會(huì)成為感應(yīng)電壓（微分時(shí)符號(hào)要加負(fù)號(hào)）。也就是可以理解為，相位與對(duì)面的表面磁通相差90度。

著磁波形大致可以分為正弦波、矩形波和梯形波。第二個(gè)例子是梯形波著磁的情況。順便提一下，前面提到的矩形波與這里的梯形波的區(qū)別在于N和S的切換梯度，但并沒有明確的定義。通常把坡度比較平緩的稱為“梯形波”。

在梯形波的情況下，進(jìn)入齒槽的磁通量波形不再是正弦波波形。用微分計(jì)算得出的感應(yīng)電壓波形也是圖中所示的形狀。關(guān)于梯形波著磁的感應(yīng)電壓，應(yīng)該注意的是著磁波形與感應(yīng)電壓波形的特點(diǎn)存在明顯不同。例如，梯形波著磁盡管表面磁通的N和S變化部分的斜率比正弦波著磁更陡峭，但其感應(yīng)電壓的正負(fù)變化部分（過零點(diǎn)）要比正弦波著磁更平緩。

感應(yīng)電壓波形的不同會(huì)影響各種電機(jī)特性和控制特性（后續(xù)會(huì)具體介紹）。然而，由于不同類型電機(jī)的感應(yīng)電壓形狀也各不相同，而且與著磁波形也不一致（正弦波除外），因此很難把握。作為電機(jī)控制的第一步，要有意識(shí)地確認(rèn)要控制的電機(jī)的感應(yīng)電壓波形是什么樣的波形，這一點(diǎn)非常重要。

來源：techclass.rohm

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