1、无刷直流基础

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大家好，欢迎观看 TI 高精度实验室视频，

本视频讨论了 无刷直流电机

（也简称为 BLDC 电机）的 基本原理。

在本视频中， 我们将讨论 BLDC 电机

运行的基础知识、 BLDC 电机的结构

以及驱动 BLDC 电机 所需的电路。

首先，让我们 介绍一下 BLDC 电机

运行的基础知识。

简易的 BLDC 电机模型 其实就是一个位于

电机转子上的永磁体， 该永磁体在定子上

被线圈包围， 当电流注入时，

这些线圈充当电磁体。

通过向不同的线圈 依次注入电流，

产生一个 移动的磁场，

拖动转子沿圆周 不断运动。

以上内容是 BLDC 电机 如何旋转的基本概念。

开关注入电流的 线圈以产生

运动的过程

称为换向。

BLDC 是一种三相电机， 具有三个连接到相位的输入，

分别标记为 A、B 和 C。

屏幕上的图显示了 三个电机相，

它们缠绕成定子上的 线圈，当电流注入时，

充当电磁体。

对于每个电机相线圈， 例如 A 相线圈，

都有一个反相的 A 相反相线圈

以相反的方式缠绕， 从而产生

相反的电磁极性。

这就是我们能够 同样吸引或排斥

转子相反极性侧的原因。

如前所述， 通过注入电流

或换向来改变 定子线圈的相位，

会产生一个 移动的磁场，

拖动转子沿圆周 不断运动。

刷式和无刷 直流电机的

最大区别是换向。

在刷式直流电机中， 换向由电机的

机械设计 自动控制。

您可以在模块 “刷式直流电机 1，基础知识”中

了解有关刷式直流 电机的更多信息。

在无刷直流电机中， 换向需要

由电机驱动器 电路使用电机的

转子位置 反馈来确定。

反馈机制 将在我们后续的

系列视频中介绍。

尽管刷式直流 电机上的电刷

使电机驱动电子设备的 复杂性降低，

但由于电机的 紧凑结构，

电刷可能会 导致高散热。

电刷换向 还会在电刷

闭合和断开触点时 产生火花，

这会对电机的 寿命产生负面影响，

并且还会 引起 EMI 辐射。

虽然无刷直流电机 避免了所有这些问题，

但它确实需要 更复杂的电机

驱动器电路 才能正确换向。

现在，让我们了解一下 BLDC 电机的绕线方式。

BLDC 电机结构的三个 电机相的绕组连接方式

可能有所不同。

左侧显示的是 Y 形绕组或星形连接，

右侧显示的是 三角形绕组连接。

Y 形或星形连接 是最常见的

绕组结构。

要记住的 重要一点是，

无论采用哪种绕组结构， 这两类电机的

驱动方式 都是相同的。

Y 形绕组通常 效率更高，

电阻损耗更少，

对寄生电流的 免疫力更强，

并且在低速时具有更高的转矩。

三角形绕组的主要优点是 最高转速更高。

反电动势， 也称为反 EMF，

这是电机相位中的 一个电压，

它会阻止产生该感应 电压的电流发生变化，

并且在一些无传感器 电机控制驱动

算法中用于 指示转子位置。

在本系列的后续视频中， 我们将更深入地

探讨反电动势这一主题。

BLDC 电机的结构 决定了电机

是否具有左图 所示的正弦形

反电动势， 或中间图所示的

梯形反电动势。

反电动势的 形状很重要，

因为它将决定 可使用的最有效的

电机控制技术。

我们将在本系列的 后续视频中对此进行

更详细的讨论。

为了观察电机的 反电动势形状，

只需将示波器 电压探针

跨接在电机的两相上， 旋转电机转子，

然后在示波器上 看到反电动势。

当 BLDC 转子上的 永磁体具有

一对以上的南北极

（也称为极对）时， 电气周期

和机械周期 这两个概念

会有所不同。

机械周期是 电机转子旋转

一整圈的时间， 如屏幕上的

动画所示。

通常，当人们提到 电机的转速时，

他们指的是 机械周期。

如屏幕上的 动画所示，

电气周期 是转子旋转

通过一组 极对的时间。

电气周期之所以重要， 是因为在某些

电机转子位置 跟踪方法中，

转子位置是根据 电气周期来检测的。

从对电气周期 和机械周期的

描述可以推断， 一个机械周期

等于电气周期

乘以极对数。

将其与速度相联立，

机械转速方程 等于电气转速

除以永磁转子的 极对数。

现在，我们来看看 驱动 BLDC 电机

所需的典型电路。

驱动 BLDC 电机 所需的电路

由五个模块组成。

这些模块包括 一个控制块、

三个直接向电机 供电的半桥电路，

允许控制块与 半桥电路连接的

栅极驱动器， 用于决定换向的

电机转子位置 感应反馈

以及任何 保护电路。

让我们深入研究一下 这些模块中的每个模块。

三个半桥电路 均分别使用

虚线框表示。

每个半桥电路 由两个串联的

MOSFET 组成， 其结点连接到

三个电机相中的一个相。

半桥电路可以 将电机的相线

连接至 Vcc 或接地，

并以红色虚线 所示的方式

在定子线圈中

注入或激励电流。

换向的实现 取决于

半桥电路 切换相位

和定子线圈 受激励的能力。

产生一个 移动的磁场，

并旋转 BLDC 电机。

栅极驱动器是 一种连接到

MOSFET 栅极并用于 打开或关闭它们的电路。

电机驱动器件 可以只集成

栅极驱动器 并使用外部半桥电路，

也可以集成 栅极驱动器电路

和三个半桥电路。

在本系列的后续视频中， 我们将更详细地

介绍栅极驱动器。

由于 BLDC 电机的 换向不是由

机械设计 自动完成的，

因此需要一个控制块 来指示换向

并控制栅极驱动器。

控制块可以 有多种形式，

包括 MCU、FPGA、 DSP、数字状态机

或纯模拟实现。

由于换向是 由电机转子位置决定的，

因此控制块需要 转子位置反馈。

该转子位置反馈 可以来自外部传感器，

如编码器和 霍尔效应传感器，

也可以来自 电机电压和电流，

如无传感器 反电动势。

在本系列的 后续视频中，

我们将探讨不同的 转子反馈系统。

在电机运行期间， 有许多情况

可能会损坏电机 驱动器或电机本身，

因此配备保护 电路非常重要。

过流保护或 OCP 可阻止电机电流

超过额定限值。

如果电机驱动器 超过其额定温度，

热关断保护 将停止电机运行。

欠压锁定 (UVLO) 可保护电机控制电路，

使其免受电源电压 降至工作范围

以下的影响。

击穿保护电路 有助于防止

半桥电路中的 两个 MOSFET

同时导通， 从而导致

电流短路。

锁定检测电路 可确定电机何时失速。

抗电压浪涌 保护 (AVS) 有助于

防止电机 将能量泵入

系统电源。

在本系列的 后续视频中，

我们将进一步探讨 电机的保护电路。

如需查找更多电机驱动器 技术资源和搜索产品，

请访问 ti.com/motordrivers。

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大家好，欢迎观看 TI 高精度实验室视频，

本视频讨论了 无刷直流电机

（也简称为 BLDC 电机）的 基本原理。

在本视频中， 我们将讨论 BLDC 电机

运行的基础知识、 BLDC 电机的结构

以及驱动 BLDC 电机 所需的电路。

首先，让我们 介绍一下 BLDC 电机

运行的基础知识。

简易的 BLDC 电机模型 其实就是一个位于

电机转子上的永磁体， 该永磁体在定子上

被线圈包围， 当电流注入时，

这些线圈充当电磁体。

通过向不同的线圈 依次注入电流，

产生一个 移动的磁场，

拖动转子沿圆周 不断运动。

以上内容是 BLDC 电机 如何旋转的基本概念。

开关注入电流的 线圈以产生

运动的过程

称为换向。

BLDC 是一种三相电机， 具有三个连接到相位的输入，

分别标记为 A、B 和 C。

屏幕上的图显示了 三个电机相，

它们缠绕成定子上的 线圈，当电流注入时，

充当电磁体。

对于每个电机相线圈， 例如 A 相线圈，

都有一个反相的 A 相反相线圈

以相反的方式缠绕， 从而产生

相反的电磁极性。

这就是我们能够 同样吸引或排斥

转子相反极性侧的原因。

如前所述， 通过注入电流

或换向来改变 定子线圈的相位，

会产生一个 移动的磁场，

拖动转子沿圆周 不断运动。

刷式和无刷 直流电机的

最大区别是换向。

在刷式直流电机中， 换向由电机的

机械设计 自动控制。

您可以在模块 “刷式直流电机 1，基础知识”中

了解有关刷式直流 电机的更多信息。

在无刷直流电机中， 换向需要

由电机驱动器 电路使用电机的

转子位置 反馈来确定。

反馈机制 将在我们后续的

系列视频中介绍。

尽管刷式直流 电机上的电刷

使电机驱动电子设备的 复杂性降低，

但由于电机的 紧凑结构，

电刷可能会 导致高散热。

电刷换向 还会在电刷

闭合和断开触点时 产生火花，

这会对电机的 寿命产生负面影响，

并且还会 引起 EMI 辐射。

虽然无刷直流电机 避免了所有这些问题，

但它确实需要 更复杂的电机

驱动器电路 才能正确换向。

现在，让我们了解一下 BLDC 电机的绕线方式。

BLDC 电机结构的三个 电机相的绕组连接方式

可能有所不同。

左侧显示的是 Y 形绕组或星形连接，

右侧显示的是 三角形绕组连接。

Y 形或星形连接 是最常见的

绕组结构。

要记住的 重要一点是，

无论采用哪种绕组结构， 这两类电机的

驱动方式 都是相同的。

Y 形绕组通常 效率更高，

电阻损耗更少，

对寄生电流的 免疫力更强，

并且在低速时具有更高的转矩。

三角形绕组的主要优点是 最高转速更高。

反电动势， 也称为反 EMF，

这是电机相位中的 一个电压，

它会阻止产生该感应 电压的电流发生变化，

并且在一些无传感器 电机控制驱动

算法中用于 指示转子位置。

在本系列的后续视频中， 我们将更深入地

探讨反电动势这一主题。

BLDC 电机的结构 决定了电机

是否具有左图 所示的正弦形

反电动势， 或中间图所示的

梯形反电动势。

反电动势的 形状很重要，

因为它将决定 可使用的最有效的

电机控制技术。

我们将在本系列的 后续视频中对此进行

更详细的讨论。

为了观察电机的 反电动势形状，

只需将示波器 电压探针

跨接在电机的两相上， 旋转电机转子，

然后在示波器上 看到反电动势。

当 BLDC 转子上的 永磁体具有

一对以上的南北极

（也称为极对）时， 电气周期

和机械周期 这两个概念

会有所不同。

机械周期是 电机转子旋转

一整圈的时间， 如屏幕上的

动画所示。

通常，当人们提到 电机的转速时，

他们指的是 机械周期。

如屏幕上的 动画所示，

电气周期 是转子旋转

通过一组 极对的时间。

电气周期之所以重要， 是因为在某些

电机转子位置 跟踪方法中，

转子位置是根据 电气周期来检测的。

从对电气周期 和机械周期的

描述可以推断， 一个机械周期

等于电气周期

乘以极对数。

将其与速度相联立，

机械转速方程 等于电气转速

除以永磁转子的 极对数。

现在，我们来看看 驱动 BLDC 电机

所需的典型电路。

驱动 BLDC 电机 所需的电路

由五个模块组成。

这些模块包括 一个控制块、

三个直接向电机 供电的半桥电路，

允许控制块与 半桥电路连接的

栅极驱动器， 用于决定换向的

电机转子位置 感应反馈

以及任何 保护电路。

让我们深入研究一下 这些模块中的每个模块。

三个半桥电路 均分别使用

虚线框表示。

每个半桥电路 由两个串联的

MOSFET 组成， 其结点连接到

三个电机相中的一个相。

半桥电路可以 将电机的相线

连接至 Vcc 或接地，

并以红色虚线 所示的方式

在定子线圈中

注入或激励电流。

换向的实现 取决于

半桥电路 切换相位

和定子线圈 受激励的能力。

产生一个 移动的磁场，

并旋转 BLDC 电机。

栅极驱动器是 一种连接到

MOSFET 栅极并用于 打开或关闭它们的电路。

电机驱动器件 可以只集成

栅极驱动器 并使用外部半桥电路，

也可以集成 栅极驱动器电路

和三个半桥电路。

在本系列的后续视频中， 我们将更详细地

介绍栅极驱动器。

由于 BLDC 电机的 换向不是由

机械设计 自动完成的，

因此需要一个控制块 来指示换向

并控制栅极驱动器。

控制块可以 有多种形式，

包括 MCU、FPGA、 DSP、数字状态机

或纯模拟实现。

由于换向是 由电机转子位置决定的，

因此控制块需要 转子位置反馈。

该转子位置反馈 可以来自外部传感器，

如编码器和 霍尔效应传感器，

也可以来自 电机电压和电流，

如无传感器 反电动势。

在本系列的 后续视频中，

我们将探讨不同的 转子反馈系统。

在电机运行期间， 有许多情况

可能会损坏电机 驱动器或电机本身，

因此配备保护 电路非常重要。

过流保护或 OCP 可阻止电机电流

超过额定限值。

如果电机驱动器 超过其额定温度，

热关断保护 将停止电机运行。

欠压锁定 (UVLO) 可保护电机控制电路，

使其免受电源电压 降至工作范围

以下的影响。

击穿保护电路 有助于防止

半桥电路中的 两个 MOSFET

同时导通， 从而导致

电流短路。

锁定检测电路 可确定电机何时失速。

抗电压浪涌 保护 (AVS) 有助于

防止电机 将能量泵入

系统电源。

在本系列的 后续视频中，

我们将进一步探讨 电机的保护电路。

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