無刷電機的結構、驅動原理及驅動電路解析

無刷電機，指的是一種無需電刷與機械換向器的電機設備。傳統(tǒng)的有刷電機設計中，定子通常采用永磁體，而轉子則為電磁鐵。在轉子轉動過程中，電刷會自動切換轉子電磁鐵中的電流方向，從而確保轉子始終受到轉動力矩的作用，實現(xiàn)連續(xù)旋轉。相比之下，無刷電機的設計特點在于，其轉子為永磁體，而定子則為電磁鐵。為切換電磁鐵中的電流，無刷電機采用電子換向器而非機械式電刷，因此得名無刷電機。

在電機技術中，槽數(shù)N和級數(shù)P是兩個核心概念。槽數(shù)N特指定子上的電磁鐵極數(shù)量，而級數(shù)P則代表轉子上磁極的數(shù)量。一種常見的電機結構為3N2P型，這種結構指的是定子具有三個線圈極，同時轉子上配置有兩個磁極的無刷電機。以下是3N2P型無刷電機的定子結構示意圖。通過理解這些基本概念和電機結構，我們可以更好地把握電機的工作原理和應用領域。

定子構造包含三組線圈，分別標識為A、B、C。這三組線圈的一端匯聚于一個公共點，而另一端則分別引出為三個獨立的引線，即a、b、c。在定子的中心位置，安置一塊磁鐵，便構成了最基本的無刷電機結構，詳情可見附圖所示。

值得注意的是，這僅僅是3槽2極電機的基本結構，其在復雜度和性能上屬于較為簡單的類型。在實際應用中，為了提升電機的運行穩(wěn)定性和轉矩能力，通常會采用增加槽數(shù)和極數(shù)的設計。此外，線圈的連接方式可以根據(jù)具體需求選擇星形或三角形連接。從機械結構的角度出發(fā)，電機還可以進一步區(qū)分為外轉子電機和內轉子電機，這主要取決于轉子是位于電機的內部還是外部。

了解了無刷電機的結構，那么，無刷電機是如何轉動起來的呢？

我們仍然以最簡單的3N2P無刷電機為例，假設初始時，我們在a端接電源正、b端接電源負、c端懸空，則A線圈產(chǎn)生磁場方向朝左上方，B線圈產(chǎn)生磁場方向朝正上方，磁場的矢量和朝左上方，轉子磁鐵在A、B線圈的磁場作用下，會轉到圖示方向：

下一時刻，我們在c端接電源正、b端接電源負、而a端懸空，則磁場矢量和朝向右上方，轉子磁鐵會從下圖的1轉到下圖2中的位置：

同理，后續(xù)依次c+a-、a-b+、b+c-、c-a+、a+b-、b-c+循環(huán)加電，轉子磁鐵就能循環(huán)轉動起來了。每經(jīng)過6次切換電流，轉子轉動一圈。

因為三個線圈相隔120°，所以，不難得出兩個線圈同時導通時，轉矩為單個線圈的√3倍。

上述驅動方法中，每次導通了兩個線圈，因此稱為“二二導通”驅動方式;相對地還有一種三個線圈同時導通的方式，稱為“三三導通”驅動方式。

例如，施加電壓為 a+b-c- 的狀態(tài)時，由于三個線圈都會產(chǎn)生磁場，則定子磁鐵會轉動到下圖位置(N極正對A線圈)：

而且，由于A線圈中的電流等于B、C電流之和，所以總的轉矩為1.5倍A線圈的轉矩。

不難分析出，“三三導通”的驅動方式，也是6個步驟完成轉動一圈。如我們依次按a+b-c-、a+b-c+、a-b-c+、a-b+c+、a-b+c-、a+b+c-循環(huán)控制線圈電壓，則定子也能轉動起來。

上面我們分析了如何讓三相的無刷電機轉動起來，實質上就是需要能對三個線圈的引出點分別加正、負電壓，一般可以用如下三相六臂全橋電路來實現(xiàn)：

例如，在上圖中導通Q1和Q4，其他都不導通，那么電流將從Q1流經(jīng)U相繞組，再從V相繞組流到Q4。這樣也就完成了個線圈通電，同理，依次導通Q5Q4、Q5Q2、Q3Q2、Q3Q6和Q1Q6，這也就完成了“二二導通”的6個工作方式。

同理三相全橋也可以實現(xiàn)“三三導通”的控制方式。

上述全橋電路只是原理性的介，實際應用時，要保證控制時，不能有同一個橋臂的上下MOS管同時導通，否則會燒毀器件。我們可以先關閉上橋臂的MOS，再開啟下橋臂的MOS(或者先關閉下MOS再開啟上MOS)這樣就避免了上下MOS同時導通的時間，錯開的這個時間差，一般稱為死區(qū)時間(dead time)。很多MCU輸出的PWM波，都可以控制死區(qū)時間的大小，方便我們設計。