來(lái)源：rohm
本文將為大家介紹用來(lái)驅(qū)動(dòng)無(wú)刷電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電路結(jié)構(gòu)和工作。
無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)
要想很好地驅(qū)動(dòng)無(wú)刷電機(jī)，需要了解使電機(jī)繞組中流過(guò)電流的電路結(jié)構(gòu)，并了解表示電流流動(dòng)時(shí)間順序的“時(shí)序圖”中的波形含義，這些很重要。時(shí)序圖是電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制時(shí)的重要規(guī)格圖，可以從中了解轉(zhuǎn)子位置與通電波形的關(guān)系，因此有必要充分理解。
無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)
無(wú)刷電機(jī)配有晶體管（電氣開(kāi)關(guān)）和用來(lái)控制開(kāi)關(guān)工作的控制器。用來(lái)驅(qū)動(dòng)無(wú)刷電機(jī)的電路，在實(shí)際應(yīng)用中可能需要配備一些其他元器件來(lái)輔助電路工作。在這里，將使用下圖所示的常用電路結(jié)構(gòu)來(lái)為大家介紹各個(gè)部件的作用及其工作。
■ 控制IC（控制器）
- 能夠接收轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)并生成功率晶體管開(kāi)關(guān)信號(hào)的電路。
- 能夠接收外部指令并對(duì)施加在繞組上的電壓大小等進(jìn)行控制。
- 有些控制IC還具有電機(jī)轉(zhuǎn)速控制等高級(jí)控制功能。
■ 電平轉(zhuǎn)換電路（柵極驅(qū)動(dòng)器）
- 將來(lái)自控制器的信號(hào)轉(zhuǎn)換為使功率晶體管工作的信號(hào)（調(diào)整電壓電平和極性）的電路。
■ 功率晶體管（Power Tr）
- 用來(lái)構(gòu)建向電機(jī)繞組供電的電路。
- 三相無(wú)刷電機(jī)中需要使用6個(gè)功率晶體管。連接電源正極的一側(cè)稱(chēng)為高邊
（Hi側(cè)/上側(cè)/High Side），連接電源負(fù)極（GND，接地）的一側(cè)稱(chēng)為低邊
（Lo側(cè)/下側(cè)/Low Side）。例如這樣的表述：“將三個(gè)高邊晶體管全部關(guān)閉”。
■ 位置檢測(cè)器（霍爾器件）
- 檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置。在這里以霍爾器件為例進(jìn)行介紹。除了霍爾器件外，還有編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器等位置檢測(cè)器。
- 還有一種稱(chēng)為“無(wú)傳感器驅(qū)動(dòng)”的技術(shù)，這種技術(shù)不使用位置檢測(cè)器，而是根據(jù)繞組的電壓和電流大小等信息來(lái)推算轉(zhuǎn)子位置。
在實(shí)際的電機(jī)電路板上，會(huì)配有集成了控制IC和電平轉(zhuǎn)換電路的IC、集多個(gè)功率晶體管于一身的一體化封裝晶體管等產(chǎn)品。另外，霍爾器件會(huì)被配置在容易檢測(cè)永磁體磁通量的位置。此外，還會(huì)配備各IC的外置部件所需的電阻和電容等元器件。但是，在電路簡(jiǎn)圖中，可以簡(jiǎn)化為上圖所示的“電路結(jié)構(gòu)”（※在IC的規(guī)格書(shū)中給出的應(yīng)用電路示例等電路圖中，基本上會(huì)包含外圍元器件）。在面將通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路輸出的電信號(hào)和繞組作為電磁體而產(chǎn)生的磁場(chǎng)，為大家介紹無(wú)刷電機(jī)是如何旋轉(zhuǎn)的。
無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)序圖
要想很好地驅(qū)動(dòng)無(wú)刷電機(jī)，了解時(shí)序圖中的波形含義是非常重要的。時(shí)序圖是電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制用的規(guī)格說(shuō)明圖。在本文中，將為大家介紹時(shí)序圖中的每個(gè)波形的含義。
電機(jī)是隨著施加于繞組的電壓和所流過(guò)的電流的變化而旋轉(zhuǎn)的。表示使電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)的電信號(hào)變化的圖稱(chēng)為“時(shí)序圖”。在表示邏輯電路的工作等情況下也會(huì)用到“時(shí)序圖”這個(gè)術(shù)語(yǔ)，在本文中是指電機(jī)驅(qū)動(dòng)的時(shí)序圖。
時(shí)序圖是以轉(zhuǎn)子位置（電角度）為橫軸來(lái)表示各電路的主要信號(hào)的。在時(shí)序圖中，當(dāng)信號(hào)為數(shù)字信息時(shí)，通常用Hi或Lo兩個(gè)值來(lái)表示。在下面的時(shí)序圖中，霍爾信號(hào)和UH等的實(shí)際電壓值各不相同，這些不同本應(yīng)該體現(xiàn)在波形的高度上，但由于希望表達(dá)出來(lái)的是Hi或Lo，因此很多情況下并沒(méi)有在波形中體現(xiàn)出來(lái)。
在這里，作為示例，給出了與前述有刷電機(jī)的工作幾乎相同的無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)序圖。希望執(zhí)行這樣的工作時(shí)，最好將霍爾器件安裝在下圖所示位置。后面會(huì)講到為什么這個(gè)位置更好，在這里只要知道最好安裝在這里即可。接下來(lái)通過(guò)下圖來(lái)進(jìn)行具體介紹。
無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)序圖（1）：繞組端子的電壓
首先，設(shè)上圖中的轉(zhuǎn)子位置在時(shí)序圖的左端，角度為0度（參見(jiàn)圖底部的刻度值）。當(dāng)電機(jī)從此處向左（逆時(shí)針?lè)较颍┬D(zhuǎn)時(shí)，每個(gè)電路信號(hào)的變化如時(shí)序圖所示。下面對(duì)信號(hào)的進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明：
■ 向控制IC輸入：霍爾U、V、W
- 霍爾器件根據(jù)對(duì)面的磁極來(lái)輸出Hi/Lo信號(hào)。在IC中，可根據(jù)3枚霍爾器件的Hi/Lo邏輯將轉(zhuǎn)子位置分為6處（參見(jiàn)時(shí)序圖頂部的數(shù)字編號(hào)）。例：｛U、V、W｝＝分度１｛Lo、Hi、Lo｝、分度２｛Lo、Hi、Hi｝～分度6｛Hi、Hi、Lo｝
■從控制IC輸出：UH～WL
- 控制IC根據(jù)上述分度信息生成晶體管ON/OFF指令信號(hào)UH～WL。
- 雖然圖示中沒(méi)有列出，但從UH～WL的信號(hào)會(huì)傳遞至電平轉(zhuǎn)換部，由電平轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為晶體管可以接收（可以驅(qū)動(dòng)晶體管）的信號(hào)
■晶體管部分：U、V、W繞組電壓
- 功率晶體管以UH～WL信號(hào)為指令進(jìn)行ON/OFF（指令為Hi時(shí)ON，指令為L(zhǎng)o時(shí)OFF）。此工作決定了繞組端子的電壓。
- 高邊和低邊晶體管均OFF時(shí)，繞組端子電壓處于開(kāi)路狀態(tài)（這里本應(yīng)看到的波形將在后面進(jìn)行介紹）。
前面提到的“動(dòng)作幾乎與有刷電機(jī)相同”是指該繞組電壓的模式相同。無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)序圖（2）：電壓模式產(chǎn)生的電磁場(chǎng)
前面的圖中顯示了繞組端子的電壓。接下來(lái)，將使用下圖來(lái)講解通過(guò)施加這種繞組端子電壓，在什么位置產(chǎn)生電磁體，以及轉(zhuǎn)子是如何旋轉(zhuǎn)的。
第一張圖是表示電流方向與N極/S極關(guān)系的示意圖。要想很好地理解后續(xù)要介紹的時(shí)序圖和1～6分度的轉(zhuǎn)子位置解說(shuō)，需要先了解第一張示意圖中的關(guān)系。
首先，在圖中的分度1中，電源電壓施加在U相繞組上，V相繞組接地（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“GND”）。也就是可以理解為電流從U相流向V相。另外，如果U相繞組為N極，則V相繞組為S極（假設(shè)是這樣繞制的）。當(dāng)轉(zhuǎn)子處于1分度的位置時(shí)，如果繞組的磁極如上所示，則轉(zhuǎn)子將逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，霍爾信號(hào)W的極性切換后，進(jìn)入分度2。在這里，電流從U相流向W相，繞組的磁場(chǎng)如上圖所示進(jìn)行切換。此時(shí)轉(zhuǎn)子也是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子通過(guò)反復(fù)“產(chǎn)生磁場(chǎng)”→“轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)”→“霍爾信號(hào)切換”→“產(chǎn)生下一模式的磁場(chǎng)”→“轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)”→“霍爾信號(hào)切換”而連續(xù)旋轉(zhuǎn)。這是該時(shí)序圖所顯示的工作情況。對(duì)了，講解內(nèi)容讀到這里，有些人可能會(huì)有疑惑：講解的角度是否反了呢？的確，如果是講解電路工作的話，按照上述思路是沒(méi)問(wèn)題的，但是從驅(qū)動(dòng)電機(jī)的角度來(lái)看，應(yīng)該是按照“希望在能讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的位置產(chǎn)生磁場(chǎng)”→“以這種方式控制晶體管的ON/OFF”
→ “在必要的位置安裝霍爾器件”的思路進(jìn)行。在下一篇中，將按照這個(gè)思路為大家介紹如何繪制時(shí)序圖。
無(wú)刷電機(jī)時(shí)序圖的繪制方法
在上一篇文章中，從控制IC入手，從電路工作的角度為大家講解了電機(jī)的工作機(jī)制。通過(guò)這些內(nèi)容，大家應(yīng)該已經(jīng)了解了整個(gè)電路的運(yùn)作情況。在本文中，將更進(jìn)一步，來(lái)講解為什么信號(hào)會(huì)形成這樣的時(shí)序。實(shí)際上，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)過(guò)程中，要想繪制（可能用“創(chuàng)建”更貼切吧）出能夠?qū)崿F(xiàn)自己預(yù)期性能（比如使電機(jī)高效且安靜地旋轉(zhuǎn)）的時(shí)序圖，從這個(gè)方向進(jìn)行思考是非常重要的。
首先應(yīng)該掌握的是，相對(duì)于轉(zhuǎn)子（永磁體），應(yīng)該在什么位置產(chǎn)生電磁體的磁場(chǎng)更好。例如，如果希望逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，那么就需要在永磁體N極左側(cè)的適當(dāng)位置創(chuàng)建電磁體的S極。然而，僅僅如此并不能說(shuō)是最優(yōu)的，除此之外還要求電機(jī)能夠以盡可能少的功率（電能）產(chǎn)生所需的轉(zhuǎn)矩（機(jī)械能）。這會(huì)受電機(jī)要素特性（如增加磁體的磁力）的影響，也受永磁體與電磁體的相對(duì)位置（角度）的影響。因此，重要的是要確切地知道創(chuàng)建電磁體的位置，而不僅僅是知道配置在左側(cè)。
關(guān)于永磁體轉(zhuǎn)子和電磁體定子產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，適用下圖所示的理論。從下圖可以看出，電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩取決于磁體磁場(chǎng)與繞組（電磁體）磁場(chǎng)之間的相對(duì)角度θ，通過(guò)sinθ計(jì)算（假設(shè)繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)和永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)的大小是恒定的）。
理論上，在磁場(chǎng)的相對(duì)角度為90度時(shí)轉(zhuǎn)矩最大。因此，相對(duì)于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向，最好使繞組磁場(chǎng)的方向在該角度附近。基于該理論，我們根據(jù)可能的條件來(lái)思考，在實(shí)機(jī)應(yīng)用中應(yīng)該以怎樣的時(shí)序來(lái)產(chǎn)生繞組磁場(chǎng)才算好。首先，可以利用3枚霍爾器件的極性信號(hào)，以60度間隔的電角度來(lái)區(qū)分轉(zhuǎn)子位置。還有，通過(guò)施加在繞組端子上的電壓組合，可以在6個(gè)方向上產(chǎn)生繞組磁場(chǎng)。由此可見(jiàn)，根據(jù)轉(zhuǎn)子的6個(gè)位置（范圍），正好可以選擇6個(gè)方向的繞組磁場(chǎng)。那么，在每個(gè)轉(zhuǎn)子位置應(yīng)產(chǎn)生多大相對(duì)角度的繞組磁場(chǎng)呢？如果要想獲得較大的轉(zhuǎn)矩，那么相對(duì)角度范圍應(yīng)在60～120度之間比較好。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并超出該范圍后，電機(jī)將會(huì)進(jìn)入下一個(gè)繞組磁場(chǎng)模式（下圖）。我們基于這個(gè)思路，從下往上看下面給出的時(shí)序圖。換句話說(shuō)，我們需要根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)動(dòng)情況來(lái)確認(rèn)各信號(hào)處于什么樣的狀態(tài)（必須處于哪種狀態(tài)）。針對(duì)時(shí)序圖最右側(cè)灰色箭頭所示的1～5，說(shuō)明如下：
1. 首先，U、V、W繞組的磁極是由轉(zhuǎn)子的位置來(lái)決定的。從圖中可以看出，在這個(gè)轉(zhuǎn)子位置上轉(zhuǎn)矩最大，需要在該位置前后30度區(qū)間產(chǎn)生相同的磁場(chǎng)。
2. 接下來(lái)，確定產(chǎn)生該繞組磁場(chǎng)的電流方向。電流方向與施加在繞組上的電壓方向一致。例如，如果電流從U相流向V相以使U為N極、V為S極的話，那么U相繞組端子電流為正，V相電流為負(fù)（GND）。
3. 要想這樣向繞組施加電壓，需要使U相的高邊晶體管和V相的低邊晶體管導(dǎo)通。因此，將UH和VL的信號(hào)置Hi。此時(shí)，其他信號(hào)為L(zhǎng)o。其他轉(zhuǎn)子位置也是用同樣的思路，來(lái)確定從UH到WL的信號(hào)邏輯。
4. 接下來(lái)，為了能夠如圖所示切換從UH到WL的6個(gè)信號(hào)，最好使原來(lái)的霍爾信號(hào)在圖示位置進(jìn)行切換。順便提一下，這里每個(gè)信號(hào)的Hi/Lo的切換位置都很重要，并不是必須實(shí)現(xiàn)和上圖完全一樣的霍爾U、V、W波形（只要知道轉(zhuǎn)子的6個(gè)位置位置，那么其他邏輯組合也可以）。
5. 為了在該轉(zhuǎn)子位置切換霍爾信號(hào)，應(yīng)在上圖所示的位置安裝霍爾器件。對(duì)于此處的安裝位置而言，相對(duì)于繞組的角度是非常重要的。徑向位置需要另行單獨(dú)考慮。
如上所述，無(wú)刷電機(jī)的時(shí)序圖以及相應(yīng)的霍爾器件安裝位置就是這樣決定的。這種工作模式與有刷電機(jī)一樣的時(shí)序圖，在無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制中被稱(chēng)為“120度激勵(lì)”。由于這種控制方式比較簡(jiǎn)單而得以廣泛應(yīng)用，不過(guò)目前已經(jīng)針對(duì)無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，設(shè)計(jì)出了其他多種激勵(lì)模式。也可以說(shuō)，這種方式與使用換向器的機(jī)械開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)不同，現(xiàn)在已經(jīng)可以使用控制IC來(lái)調(diào)整激勵(lì)模式了。
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