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今天给大家分享下电机控制中需要了解的一些基础知识，供大家参考学习。
1 三个基本定则
1.1 左手定则
左手定则是用来判断一个通电导体在磁场中受力方向的。具体受力方向如何判断，如下：
1）伸开左手，使大拇指和其余四指垂直；
2）手心面向N极，四指顺着电流的方向，那么大拇指所指方向就是导体受力方向。
力的大小计算公式为：F = BILsinθ，其中B 为磁感应强度（单位T），I 为电流大小（单位A），L为导体有效长度（单位m），F 为力的大小（单位N），θ 为：B 和I 的夹角。左手定则示意图如下图所示：
图1 左手定则受力方向判断示意图
1.2 右手定则
由于通电导体的运动会切割磁感线，此时就会产生感应电动势，那么感应电动势的方向就可以用右手定则进行判定。右手定则具体内容如下所示：
右手平展，使大拇指与其余四指垂直，并且都跟手掌在一个平面内。把右手放入磁场中，让磁感线从掌心进入（当磁感线为直线时，相当于手心面向N极），大拇指指向导线运动方向，则四指所指方向为导线中感应电流（感应电动势）的方向。
感应电动势的大小可以通过公式E = vBLsinθ进行计算，其中v 为导体的运动速度（单位m/s），B为磁感应强度（单位 T），L 为导体长度（单位m），θ 为B 和L的夹角。右手定则判定方向示意图如下图所示：
图2 右手定则感应电动势方向判断示意图
1.3 右手螺旋定则
通电螺线管中流过电流时，会产生磁场，产生的磁场方向可以通过右手螺旋定则来进行判定。具体法则为：右手握住通电螺线管，使四指弯曲与电流方向一致，大拇指所指的那一端就是通电螺旋管的 N 极。
右手螺旋定则判定示意图如下图所示：
图3 右手螺旋定则判定磁场方向示意图
我们都知道，如果我们将一个小磁针放入磁场中，那么小磁针N方向的转动方向是往静止磁场的N方向转动，也就是说，当把小磁针放入磁场中时，静止后，小磁针的N方向跟磁场的N方向是一致的。
静止时刻的方向示意图如下图所示：
图4 小磁针静止时的指向
2 电机基本概念
2.1 电机
电机（英文：Electric machinery，俗称“马达”）是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。下图所示为直流无刷电机。
图5 直流无刷电机
2.2 转子
电机工作时转动的部分称为转子。下图六所示为转子为永磁体的外转子电机转子结构。
图6 转子示意图
2.3 定子和绕组
电机工作时不转动的部分称为定子。如下图七所示为外转子无刷电机的定子示意图，定子结构上绕制了线圈。绕组就是定子上的线圈，通电后就会形成一定的磁场，从而推动转子旋转。
图7 定子示意图
2.4 内转子电机
转子在定子内部，示意图如下图八所示：
图8 内转子电机示意图
2.5外转子电机
转子在定子外部的电机称为外转子电机，如下图为外转子电机示意图
图9 外转子电机示意图
2.6 极数与极对数
极数是N极,S级的总数，一般都是指永磁体的磁极数,下图十所示的电机有6极。极对数是 一个南极(S极) ，一个北极(N极) ，算一对磁极，极对数=级数÷2,下图十所示的电机有3对极。
图10 极数及极对数介绍示意图
2.7 机械角度与电角度
机械角度就是数学中的“空间几何角度”，恒等于360度。电角度指磁场每转过一对磁极,导体的电动势变化一个周期,定义一个周期为360°电角度。
电角度=机械角度*极对数
若电机有K对极,那么整个定子内圆有K*360°电角度,右图电机有4对极,因此一圈是360°机械角度,1440°电角度
图11 机械角度与电角度介绍示意图
2.8 KV值
KV值是指输入电压每增加 1 伏特，无刷电机空转转速增加值，转速=KV*电压。比如KV=1000,那么当输入电压10V时,空转转速就是10000rpm (rpm=转/分钟)。同系列同外形尺寸的无刷电机，根据绕线匝数的多少，会表现出不同的KV 特性。绕线匝数多的，KV 值低，最高输出电流小，扭力大；绕线匝数少的，KV 值高，最高输出电流大，扭力小
图12 KV值示意图
2.9 霍尔传感器
霍尔传感器感应磁场方向,并输出高低电平(”1”和”0”),根据霍尔传感器的输出值,就能确定转子的位置。下图十三表示霍尔安装及霍尔波形示意图：
图13 霍尔安装及霍尔波形示意图
2.10 死点
转子在死点位置,电机无启动力矩,一般是转子磁场与定子磁场方向平行，如下图所示表示死点示意图：
图14 死点位置示意图
2.11 异步电机与同步电机
同步电机和异步电机最大的区别在于它们的转子速度与定子旋转磁场是否一致，电机的转子速度与定子旋转磁场相同，叫同步电机，反之，则叫异步电机。
另外，同步电机与异步电机的定子绕组是相同的，区别在于电机的转子结构。异步电机的转子是短路的绕组，靠电磁感应产生电流。而同步电机的转子结构相对复杂，有直流励磁绕组，因此需要外加励磁电源，通过滑环引入电流；因此同步电机的结构相对比较复杂，造价、维修费用也相对较高。
根据励磁方式不同，同步电机可以分为电励磁同步电机和永磁同步电机。
2.11.1 电励磁
它的转子做成显极式的，安装在磁极铁芯上面的磁场线圈是相互串联的，接成具有交替相反的极性，并有两根引线连接到装在轴上的两只滑环上面。
磁场线圈是由一只小型直流发电机或蓄电池来激励，在大多数同步电动机中，直流发电机是装在电动机轴上的，用以供应转子磁极线圈的励磁电流。由于这种同步电动机不能自动启动，所以在转子上还装有鼠笼式绕组而作为电动机启动之用。鼠笼绕组放在转子的周围，结构与异步电动机相似。
当在定子绕组通上三相交流电源时，电动机内就产生了一个旋转磁场，鼠笼绕组切割磁力线而产生感应电流，从而使电动机旋转起来。电动机旋转之后，其速度慢慢增高到稍低于旋转磁场的转速，此时转子磁场线圈经由直流电来激励，使转子上面形成一定的磁极，这些磁极就企图跟踪定子上的旋转磁极，这样就增加电动机转子的速率直至与旋转磁场同步旋转为止。
2.11.2 永磁
转子不励磁的同步电动机能够运用于单相电源上，也能运用于多相电源上。这种电动机中，有一种的定子绕组与分相电动机或多相电动机的定子相似，同时有一个鼠笼转子，而转子的表面切成平面。所以是属于显极转子，转子磁极是由一种磁化钢做成的，而且能够经常保持磁性。鼠笼绕组是用来产生启动转矩的，而当电动机旋转到一定的转速时，转子显极就跟住定子线圈的电流频率而达到同步。显极的极性是由定子感应出来的，因此它的数目应和定子上极数相等，当电动机转到它应有的速度时，鼠笼绕组就失去了作用，维持旋转是靠着转子与磁极跟住定子磁极，使之同步。
3 无刷直流电机控制简介
3.1 传统有刷直流电机
如下图所示，在有刷直流电机中，直流电流通过转子的线圈绕组，使电磁体产生极性。这些转子的磁极与固定永磁体（称为定子）的磁极相互作用，从而使转子旋转。
• 转子每转动半圈之后，需要切换线圈绕组中的电流极性，以对调转子磁极， 使电机保持旋转状态。
• 这种电流极性的切换被称为换相。
• 换相通过机械方式实现：转子旋转的每个半圈中，电触头（称为电刷）与转子上的换相器连成一个回路。
• 这种物理接触会导致电刷随着时间推移而磨损，从而导致电机无法工作。
图17 有刷电机工作原理示意图
3.2 无刷直流电机
BLDC电机采用电子换相来代替机械换相，克服了有刷电机的上述缺陷。为了更好地理解这一点，有必要进一步了解BLDC电机结构。BLDC 电机与有刷电机构造相反，其永磁体安装在转子中，而线圈绕组则成为定子。
图18 无刷直流电机工作原理示意图
电机的磁体布局不尽相同，定子可能具有不同数量的绕组，而转子可能具有多个极对，如下图所示。
图19 无刷直流电机极对数示意图
3.3 仿真 BLDC 电机以观察反电动势曲线
BLDC 电机和 PMSM的结构类似，其永磁体均置于转子，并被定义为同步电机。在同步电机中，转子与定子磁场同步，即转子的旋转速度与定子磁场相同。
它们的主要区别在于其反电动势（反 EMF）的形状。电机在旋转时充当发电机。也就是说，定子中产生感应电压，与电机的驱动电压反向。反电动势是电机的重要特征，因为其形状决定了对电机进行最优控制所需的算法。
BLDC电机的设计使其反电动势呈梯形，因此一般采用梯形换相控制。BLDC 梯形反电动势 采用梯形换相控制。
图20 无刷直流电机反电动势波形示意图
PMSM 的反电动势呈正弦波形，因此采用磁场定向控制。PMSM 正弦反电动势采用磁场定向控制
图21 PMSM反电动势波形示意图
在电机控制领域，PMSM 和 BLDC 这两个术语有时会被混用，这可能导致对其反电动势曲线的混淆。本文将 BLDC 电机严格限定为具有梯形反电动势的电机。
图22 BLDC电机仿真查看反电动势波形
图中使用Simulink仿真的是带开路端子的单极对BLDC，即线圈中没有电流通过。如果施加扭矩带动转子，电机将充当发电机。您可以测量 A 相电压随时间变化的情况，从而观察电机的反电动势形状。电压波形显示 BLDC电机的反电动势呈梯形，其中部分区域电压持平。
3.4 六步换相
为了更好地理解施加外部电压时 BLDC 电机的行为，我们将使用前面介绍的配置，其中转子由单极对组成，而定子由夹角为 120 度的三个线圈组成。让电流通过线圈，给线圈（此处称为 A 相、B 相和 C 相）通电。转子的北极用红色表示，南极用蓝色表示。
一开始，线圈没有通电，转子处于静止状态。在A相与C相之间施加电压（如下图所示），即会沿虚线产生复合磁场。这使转子开始旋转，从而与定子磁场对齐。
图23 定子磁场产生示意图（虚线）
线圈对共有六种通电方法，如下图所示。每次换相后，定子磁场相应旋转，从而带动转子，使之旋转至图示位置。在下图中，转子角度是相对于水平轴而言的，转子共有六种对齐方式，两两相差 60 度。
图24 线圈通电示意图
也就是说，如果每 60 度以正确的相位执行一次换相，电机将连续旋转，如下图所示。此类控制被称为六步换相或梯形控制。
图25 六步换相（梯形控制）
此类电机可以包含更多极对，但这就要求更为频繁地换相。为了在合适的时机以正确的相位执行电机换相，控制器需要时刻掌握转子的确切位置，对此通常使用霍尔传感器进行测量。
图26 不同极对数的电机换相角度示意图
3.5 电机和扭矩产生
下图中箭头表示相对磁力，箭头粗细表示场强。相同磁极相互排斥，从而使转子逆时针旋转。同时，相反磁极相互吸引，从而在同一方向增加扭矩。
转子完成60度旋转后，发生下一次换相。
图27 磁场作用示意图
将先前讨论的定子磁场叠加到上图中，可以很明显地看出，在这种换相方式中，转子从不对齐定子磁场（图中的黄色虚线），而是一直在追赶定子磁场。
图28 定子磁场和转子磁场示意图
在BLDC电机中采用这种方式换相有两个原因。首先，如果允许转子和定子磁场完全对齐，此时产生的扭矩为零，这不利于旋转。其次，磁场夹角为90度时可产生最大扭矩。因此，目标是使该夹角接近90度。
图29 转子磁场和定子磁场夹角示意图
但在BLDC电机中，采用六步换相无法让夹角始终保持90度，夹角将在60度和120度之间波动，如下图所示。这是因为梯形控制的性质相对简单。磁场定向控制等更先进的方法可实现定子与转子磁场间90度夹角，以此产生更大的扭矩，该方法常用于之前提到的 PMSM 控制。
图30 转子磁场和定子磁场夹角示意图
3.6 三相逆变器的工作原理
为了在六步换相过程中控制相位，可使用三相逆变器将直流电引导到三个相，从而在正（红）负（蓝）电流之间切换。为了向其中一个相供应正电流，需要打开连接到该相的高端开关，要供应负电流，则需要打开低端开关。
图31 三相逆变桥示意图
当转子与定子磁场夹角在60至120度之间时，按上述模式执行此操作，三相逆变器可使电机保持匀速旋转。要改变电机速度，可以调节施加的电压。要在不改变电源电压的前提下控制电机速度，则可以采用脉宽调制 (PWM)。 |
