直流電機廣泛應用于伺服自動(dòng)化和機器人領(lǐng)域。電動(dòng)機的工作原理基于兩個(gè)相互吸引和排斥的磁場(chǎng)的相互作用。
直流電機的兩個(gè)基本部分是轉子（旋轉）和定子（固定）。定子是磁場(chǎng)感應器，而轉子是受到磁場(chǎng)影響的元件，由稱(chēng)為電樞的電路表示。在這兩個(gè)元件之間有一層薄薄的空氣，稱(chēng)為“氣隙”。
定子必須產(chǎn)生盡可能均勻的磁場(chǎng)。轉子由片狀鐵制成，由可移動(dòng)的片片組成，這些片片由絕緣體隔開(kāi)，以增加電阻，從而減少磁化引起的寄生電流。
兩種常見(jiàn)的直流電機類(lèi)型稱(chēng)為有刷電機和無(wú)刷電機 (BLDC)。BLDC 表示無(wú)刷永磁電機。與有刷直流電機不同，它不需要在電機軸上滑動(dòng)的任何電觸點(diǎn)即可運行。
在有刷電機中，電刷與轉子上的電觸點(diǎn)的機械接觸閉合電源和轉子繞組之間的電路。轉子和電刷產(chǎn)生不斷改變方向的電流，從而反轉磁場(chǎng)。
在無(wú)刷電機中，電流反轉是通過(guò)微控制器控制的一組功率晶體管（通常是 IGBT）以電子方式獲得的。驅動(dòng)它們的主要問(wèn)題是了解電機的準確位置；只有這樣控制器才能確定驅動(dòng)哪一相。轉子的位置通常使用霍爾效應傳感器或光學(xué)傳感器獲得。在效率方面，由于摩擦減少，無(wú)刷電機比同等交流電機產(chǎn)生的熱量少得多。
此外，無(wú)刷電機定子上的繞組具有良好的散熱能力，可以構建沒(méi)有散熱片的“平滑”電機。當電機在充滿(mǎn)揮發(fā)性化合物（例如燃料）的環(huán)境中運行時(shí)，沒(méi)有火花至關(guān)重要。在這種類(lèi)型的電機中，磁鐵位于轉子上，并由特殊材料制成，具有非常低的慣性。這確保了極高的速度和扭矩精度，以及快速而的加速和減速。
與傳統電機相比，BLDC 電機具有許多優(yōu)勢。通常，它們的效率提高了 15% 到 20%，由于它們是無(wú)刷的，因此需要較少的維護，并且在所有額定速度下都提供平坦的扭矩曲線(xiàn)。
半導體技術(shù)的發(fā)展、永磁體的改進(jìn)以及對更高效率不斷增長(cháng)的需求導致許多應用中用 BLDC 取代有刷電機。BLDC 電機已進(jìn)入許多行業(yè)，包括家電、汽車(chē)、航空航天、消費品、醫療、工業(yè)自動(dòng)化設備和儀器儀表（圖 1 ）。
圖 1：無(wú)刷直流電機控制和驅動(dòng)器的示例應用（圖片：Infineon Technologies）
BLDC 電機可以有單相、兩相和三相配置；常見(jiàn)的是三相。相數對應于定子上的繞組數，而轉子極可以是任意對數，具體取決于應用（圖 2）。
轉子速度與電機的脈沖寬度調制（PWM）工作頻率成正比，這是控制啟動(dòng)電流、扭矩和功率的基本工作頻率。
圖 2：三相 BLDC 電機的典型閉環(huán)控制系統包括控制器、驅動(dòng)器和功率晶體管半橋 H。（圖片：德州儀器）
直流電機的等效電路
直流電機及其控制的研究涉及對等效模型的分析，以確定運行特性。從研究直流電機的數學(xué)模型開(kāi)始，可以選擇的驅動(dòng)器來(lái)控制負載。
以下方程表示簡(jiǎn)化假設下轉子的數學(xué)模型。假設磁路是線(xiàn)性的，機械摩擦是電機速度的線(xiàn)性函數（圖 3）。
圖3：直流電機的等效接線(xiàn)圖
在直流電機中，磁通量由定子上的繞組產(chǎn)生。假設定子只有一個(gè)極性端子，其特征是與其繞組相關(guān)的電感 Le 和與導體泄漏相關(guān)的電阻器 Re 。該電路的方程模型為：
通過(guò)對拉普拉斯域中的變量進(jìn)行變換：
其中 Ke = 1/R e是定子增益，τ e = Le /R e是定子時(shí)間常數。
類(lèi)似地，假設轉子僅具有一個(gè)極性終端，其特征在于電樞電阻R a（幾歐姆）和電樞電感L a。此外，在轉子的電氣模型中必須考慮反電動(dòng)勢 e(t) 的影響，該反電動(dòng)勢 e(t) 對應于定子感應的電壓差并與旋轉速度成比例。圖 1中相關(guān)電路的方程如下：
其中 v a (t) 和 i a (t) 分別為電樞電流和電壓。
類(lèi)似地，我們將定義轉子增益 (Ka) 和轉子時(shí)間常數 (τa)�？梢詫⒎措妱�(dòng)勢 (e) 和電機傳遞的機械扭矩 cm 定義為 ：
Ke 和 Kc 是電機的兩個(gè)常數，稱(chēng)為橢圓常數和扭矩常數，ω 是角速度。
機械負載的行為幾乎總是非線(xiàn)性的。負載的線(xiàn)性模型可以通過(guò)將電機扭矩 cm 等于三個(gè)參數之和來(lái)獲得：施加在電機軸上的負載扭矩，根據摩擦系數 F 與電機旋轉速度成比例的參數，以及與電機轉速對轉動(dòng)慣量J的導數成正比的參數；那是：
執行拉普拉斯變換，我們可以定義兩項：K m，機械增益，和 e m，機械時(shí)間常數，得出以下等式：
它表達了位置與電樞電流之間的直接關(guān)系。
直流電機驅動(dòng)器
驅動(dòng)器是 BLDC 控制的基本元件。它是一個(gè)功率放大器，產(chǎn)生電壓輸出來(lái)驅動(dòng) H 橋電路的高電流高側和低側 IGBT 柵極。高側意味著(zhù)源極（在 MOSFET 的情況下）或發(fā)射極（在 IGBT 盒中）可以在接地電壓和較高電機電壓之間波動(dòng)。低側表示源極或發(fā)射極始終接地。
ROHM Semiconductor 的BM60212FV-CE2集成柵極驅動(dòng)器等解決方案非常適合驅動(dòng)一對高側和低側 IGBT。該器件與 3.3V 或 5V 控制器邏輯信號兼容，并同時(shí)提供高達 1,200V 的可變高側電源電壓和 24V 的柵極控制電壓。進(jìn)一步的增強功能包括保護電路，主要是欠壓阻斷 (UVLO) 和去飽和保護 (DESAT)。UVLO 電路可防止加電期間過(guò)熱和損壞。
圖 4：典型的高側和低側驅動(dòng)器連接圖（圖片來(lái)源：Infineon Technologies）
另一個(gè)例子是英飛凌的 TLE987x 系列，它適用于廣泛的 BLDC 應用。它提供了無(wú)與倫比的集成度和系統成本來(lái)優(yōu)化目標應用領(lǐng)域。TLE9873QXW40器件集成了行業(yè)標準的 Arm Cortex-M3 內核，可實(shí)現先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機控制算法。其外設包括一個(gè)電流傳感器、一個(gè)與用于 PWM 控制的采集和比較單元同步的后續近似 ADC，以及 16 位定時(shí)器（圖 4）。
STMicroElectronics 用于三相 BLDC 的 STSPIN 電機驅動(dòng)器包括采用三相橋配置的功率驅動(dòng)器以及具有用于霍爾效應傳感器的集成解碼邏輯的解決方案。
東芝開(kāi)發(fā)了智能相位控制（InPAC）技術(shù)，可監控電流相位（電流信息）和電壓相位（霍爾效應信號），并向電機電流控制信號提供反饋，以自動(dòng)調整相位控制，以確保高效率。實(shí)際上，霍爾信號的相位會(huì )自動(dòng)調整以匹配電機驅動(dòng)電流的相位。高效率與電機的速度、負載扭矩和電源電壓無(wú)關(guān)。
BLDC 電機的散熱至關(guān)重要，其熱管理必須確保高效率。損耗可以根據器件的電阻和寄生電容進(jìn)行分類(lèi)。
開(kāi)關(guān)期間，晶體管的功耗與電源電壓、柵極電荷 (QG) 和開(kāi)關(guān)頻率成正比。在給定的電源電壓下，如果不想影響效率，則必須通過(guò)降低 QG 來(lái)抵消為提高功率密度而增加的開(kāi)關(guān)頻率。
Allegro MicroSystems A89331 無(wú)傳感器驅動(dòng)器旨在提高熱效率、降低功耗并降低數據中心成本。新的斷電制動(dòng) (PLB) 功能還提高了安全性并減少了材料需求。A89331 內置的獨特 PLB 功能可對無(wú)法正常工作的風(fēng)扇進(jìn)行制動(dòng)，從而消除額外的功耗并提高熱效率。
如果沒(méi)有電子硬件控制，發(fā)動(dòng)機的機械結構就無(wú)法完成其工作。能源效率、扭矩和傳感是選擇驅動(dòng)器以及應用類(lèi)型時(shí)要牢記的主要特征。電機的內部運行加上數學(xué)模型使我們能夠輕松評估運行特性，然后評估驅動(dòng)器的選擇。 |
