直流无刷电机电调设计全攻略

无感无刷直流电机之电调 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 全攻略无感无刷直流电机之电调设计全攻略V0.01前言..............................................................................................................................................11.无刷直流电机基础知识..............................................................................................................21.1三个基本定则....................................................................................................................21.左手定则......................................................................................................................22.右手定则（安培定则一）..........................................................................................33.右手螺旋定则（安培定则二）..................................................................................31.2内转子无刷直流电机的工作原理....................................................................................31.磁回路分析法.............................................................................................................42.三相二极内转子电机结构..........................................................................................53.三相多绕组多极内转子电机的结构..........................................................................71.3外转子无刷直流电机的工作原理.....................................................................................81.一般外转子无刷直流电机的结构..............................................................................82.新西达2212外转子电机的结构................................................................................81.4无刷直流电机转矩的理论分析......................................................................................141.传统的无刷电机绕组结构........................................................................................142.转子磁场的分布情况................................................................................................153.转子的受力分析........................................................................................................164.一种近似分析模型....................................................................................................181.5换相与调速......................................................................................................................191.换相基本原理............................................................................................................192.新西达2212电机的换相分析..................................................................................243.调速............................................................................................................................282.无感无刷电调的驱动电路设计................................................................................................302.1电池电压监测电路..........................................................................................................302.2换相控制电路..................................................................................................................301.六臂全桥驱动电路原理............................................................................................312.功率场效应管的选择................................................................................................332.3电流检测电路..................................................................................................................452.4反电势过零检测电路......................................................................................................492.5制作你自己的电调线路板..............................................................................................503.无感无刷电调的软件设计........................................................................................................523.1电流检测..........................................................................................................................523.2定时器延时与PWM信号................................................................................................531.定时器初始化............................................................................................................542.定时器T0的溢出中断服务程序..............................................................................543.利用T0延时（毫秒极）..........................................................................................544.利用T0延时（微秒极）..........................................................................................555.PWM信号的产生.....................................................................................................553.3过零事件检测与电机换相..............................................................................................561.BLMC.h中定义的宏................................................................................................562.过零检测与换相代码分析.......................................................................................59～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～By:timegate墨鸢技术交流QQ:1181733110email:moyuan2000@163.com第ii页无感无刷直流电机之电调设计全攻略V0.013.4启动算法..........................................................................................................................631.函数Anwerfen启动 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 分析....................................................................................632.启动算法机理探究....................................................................................................653.5上电时的MOSFET自检..................................................................................................681.函数Delay和DelayM.................................................................................................682.函数MotorTon自检流程分析....................................................................................683.6让你的电机演奏音乐......................................................................................................703.7通信模块..........................................................................................................................721.PPM解码.....................................................................................................................722.TWI总线通信.............................................................................................................743.串口通信....................................................................................................................744.指令的收入函数SollwertErmittlung.........................................................................754.德国MicroKopter项目BL-Ctrl电调程序主程序代码流程分析（V0.41版本）....................775.1全局变量列表..................................................................................................................785.2main主函数流程分析.......................................................................................................801.进入while(1)前的准备工作......................................................................................802.while(1)主循环内容分析...........................................................................................815.高级话 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ...................................................................................................................................865.1电机的控制模型..............................................................................................................865.2四轴上的校正策略..........................................................................................................87附录一............................................................................................................................................88附录二............................................................................................................................................89附录三............................................................................................................................................93附录四............................................................................................................................................94～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～By:timegate墨鸢技术交流QQ:1181733110email:moyuan2000@163.com第iii页无感无刷直流电机之电调设计全攻略V0.01前言关注开源四轴项目也有近一年了，前期都以潜水为主，业余时间主要是在啃那些控制和导航的理论书籍。最近开始动手做了，打算先从电调开始，发现真要做起来问题还真是一大堆。所幸有论坛这么好一个交流平台，很多问题其实前人都已经碰到过了，参考前人的经验，让我少走了很多弯路。在此要感谢论坛各位前辈大侠和阿莫的ourdev。:-)前人种树、后人乘凉，既然受惠于前人，怎好意思独享，当然也应该帮助一下新入门的开发者。由于四轴分论坛的帖子数量已经很多了，光搜一下无刷电机和电调也有近百来篇帖子，次序和深浅程度不一，想要看完并完全理解这些帖子对新人来说不啻是一个艰巨的任务。而且很多帖子的发帖时间都比较久远了，回帖提问也未必能得到原作者的回答。我写这篇文档的目的，就在于做一个整理和汇编，把很多零散的、前人已解答过的问题分门别类整理出来，并添加一些自己制作电调时的经验和 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 。在参考一些关于无刷电机驱动的书籍和帖子的时候，发现高手或是大师好像都比较惜字如金，一些问题往往点到为止或者一笔带过，有些看似简单的问题会让像我这样的电调DIYer困惑很久。所以在本文行文时，笔者力图把问题以大白话的形式说明白，如果各位有觉得哪里看得不明不白的，可以回帖提出（时限一个月，呵呵），我会修改文档以试图将问题讲清楚。如果有些问题我无法回答，我会老老实实跟你说我也没搞清楚，还要请高手来解惑啊。如果发现我哪些内容讲错了，也请不吝指正。最后还将附上德国MK项目电调代码（V0.41版本）的全代码分析，这件事可能以前没人做过吧，我就来揭晓一下答案好了^^。同时我也参照他的程序，自己写了一个可供mega8和mega32使用的电调驱动程序，将一些结构作了优化，所有变量名都从德语改成了英语，添加了比较完备的中文注释，通讯规约也做了一些整理和改动，并附带上位机调试程序。也希望大家能多多把自己的一些心得体会和经验拿出来，建立好一个基础的知识平台后，可以让后来的开发者少走很多初期摸索的弯路，而专心于攻克我们未能解决的难点。衷心希望后来的开发者能站在我们的肩膀上，走得比我们更远。timegate墨鸢2010年7月～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～By:timegate墨鸢技术交流QQ:1181733110email:moyuan2000@163.com第1页无感无刷直流电机之电调设计全攻略V0.011.无刷直流电机基础知识关于无刷直流电机的驱动的基本原理，很多教材和文档都已经讲得很清楚了，特别是坛上网友提供的：《无刷直流（BLDC）电机基础》（MicroChip公司，编号AN885）、《BrushlessDCMotorsMadeEasy》（Freescale公司，编号PZ104）和Atmel公司的编号为：AVR194、AVR491、AVR492的几篇文档，都写得很不错，深入浅出，很适合入门的初学者学习。稍后我会给出它们的下载链接（见附录一）。不过一上来就让读者自己去看文档，貌似不太厚道，那我这里还是辛苦一下，把各篇文档的精华部分抽取出来，重新组织一下，给大家一个关于无刷电机的比较概要的认识。1.1三个基本定则首先要搞清楚一件基本的事情：我们只是来搞电调的，而不是去设计电机的。所以不要被一些无刷电机教材一上来那些林林总总的关于什么磁路、磁导率、气隙饱和、去磁曲线等基础知识给吓倒，那些东西是给设计电机的人看的，对我们这种仅仅以弄出一个电调为目标的人来讲，意义不大（不过你如果打算以此为职业的话，这些东西还是建议深入学习一下的）。对于入门开发者来说，只需要记牢三个基本定则：左手定则，右手定则，右手螺旋定则。1.左手定则位于磁场中的载流导体，会受到力的作用，力的方向可按左手定则确定，如右图所示：伸开左手，使大拇指和其余四指垂直，把手心面向N极，四指顺着电流的方向，那么大拇指所指方向就是载流导体在磁场中的受力方向。力的大小为：sinFBILθ=其中：B为磁感应强度（单位T），I为电流大小（单位A），为导体有效长度（单位m），为力的大LF图1-1左手定则～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～By:timegate墨鸢技术交流QQ:1181733110email:moyuan2000@163.com第2页无感无刷直流电机之电调设计全攻略V0.01小（单位N），θ为：和BI的夹角。2.右手定则（安培定则一）在磁场中运动的导体因切割磁力线会感生出电动势，其示意见右图：E其大小为：sinEvBLθ=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和的夹角。L图1-2右手定则3.右手螺旋定则（安培定则二）用右手握住通电螺线管，使四指弯曲与电流方向一致，那么大拇指所指的那一端就是通电螺旋管的N极。图1-3右手螺旋定则1.2内转子无刷直流电机的工作原理一般的教材或是文档，介绍的多半都是内转子无刷电机的工作原理。按理说，资料已经这么多了，学习起来不应该有什么困难，其实不然。以笔者亲身经历，无刷电机的资料看得多了，反而会产生困惑。究其原因，是因为它们分别采用了两种不同的方法进行描述，同样是比较简单的三相二极无刷电机，这两种描述方法所采用的绕组结构其实是不太一样的。～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～By:timegate墨鸢技术交流QQ:1181733110email:moyuan2000@163.com第3页无感无刷直流电机之电调设计全攻略V0.011.磁回路分析法在MicroChip,Freescale和Atmel三家公司的文档中，都不约而同地采用了这种方法来说明无刷电机的工作原理，其原理说明见图1-4：图1-4（摘自FreescalePZ104文档）在图1-4中，当两头的线圈通上电流时，根据右手螺旋定则，会产生方向指向右的外加磁感应强度B（如粗箭头方向所示），而中间的转子会尽量使自己内部的磁力线方向与外磁力线方向保持一致，以形成一个最短闭合磁力线回路，这样内转子就会按顺时针方向旋转了。顺便提一句，有网友曾经提到说不太理解这句话的含义：“当转子磁场方向与外部磁场方向垂直时，转子所受的转动力矩最大”。注意这里说的是“力矩”最大，而不是“力”最大。诚然，在转子磁场与外部磁场方向一致时，转子所受磁力最大，但此时转子呈水平状态，力臂为0，当然也就不会转动了。当转子转到水平位置时，虽然不再受到转动力矩的作用，但由于惯性原因，还会继续顺时针转动，这时若改变两头螺线管的电流方向，如下图所示，转子就会继续顺时针向前转动，见图1-5所示：图1-5（摘自FreescalePZ104文档）如此不断改变两头螺线管的电流方向，内转子就会不停转起来了。改变电流方向的这一动作，就叫做换相（commutation）。注意：何时换相只与转子的位置有关，而与转速无关。～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～By:timegate墨鸢技术交流QQ:1181733110email:moyuan2000@163.com第4页无感无刷直流电机之电调设计全攻略V0.01这一点是初学者比较容易混淆的概念，应当注意。以上是最简单的两相两级无刷电机的工作原理，仅仅用来说明概念用，下面我们来看比较普遍的三相两极无刷电机的构造。2.三相二极内转子电机结构一般来说，定子的三相绕组有星形联结方式和三角联结方式，而“三相星形联结的二二导通方式”最为常用，故这里只对这种情况作详细分析。图1-6（修改自FreescalePZ104文档）图1-6显示了定子绕组的联结方式（转子未画出），三个绕组通过中心的连接点以“Y”型的方式被联结在一起。整个电机就引出三根线A,B,C。当它们之间两两通电时，有6种情况，分别是AB,AC,BC,BA,CA,CB，图1-7(a)~(f)分别描述了这6种情况下每个通电线圈产生的磁感应强度的方向（红、兰色表示）和两个线圈的合成磁感应强度方向（绿色表示）。在图(a)中，AB相通电，中间的转子（图中未画出）会尽量往绿色箭头方向对齐，当转子到达图(a)中绿色箭头位置时，外线圈换相，改成AC相通电，这时转子会继续运动，并尽量往图(b)中的绿色箭头处对齐，当转子到达图(b)中箭头位置时，外线圈再次换相，改成BC相通电，再往后以此类推。当外线圈完成6次换相后，内转子正好旋转一周（即36）。再次重申一下：何时换相只与转子位置有关，而与转速无关。0°图1-8中画出了换相前和换相后合成磁场方向的比较与转子位置的变化。一般来说，换相时，转子应该处于，比与新的合成磁力线方向垂直的位置不到一点的钝角位置，这样可以使产生最大的转矩的垂直位置正好处于本次通电的中间时刻。～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～By:timegate墨鸢技术交流QQ:1181733110email:moyuan2000@163.com第5页无感无刷直流电机之电调设计全攻略V0.01(a)AB相通电情形(b)AC相通电情形(c)BC相通电情形(d)BA相通电情形(e)CA相通电情形(f)CB相通电情形图1-7星形绕组两两通电的6种情形图1-8换相前和换相后的情形（摘自FreescalePZ104文档）～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～By:timegate墨鸢技术交流QQ:1181733110email:moyuan2000@163.com第6页无感无刷直流电机之电调设计全攻略V0.013.三相多绕组多极内转子电机的结构搞清了最简单的三相三绕组二极电机，我们再来看一个复杂点的，图1-9(a)是一个三相九绕组六极（三对极）内转子电机，它的绕组连线方式见图1-9(b)。从图(b)可见，其三相绕组也是在中间点连接在一起的，也属于星形联结方式。一般而言，电机的绕组数量都和永磁极的数量是不一致的（比如用9绕组6极，而不是6绕组6极），这样是为了防止定子的齿与转子的磁钢相吸而对齐，产生类似步进电机的效果，此种情况下转矩会产生很大波动。(a)电机定子与转子结构(b)绕组联结方式（摘自5iMX论坛）图1-9三相9绕组3对极内转子无刷直流电机结构其二二导通时的6种通电情况读者可自行分析，原则是转子的N极与通电绕组的S极有对齐的运动趋势，而转子的S极与通电绕组的N极有对齐的运动趋势。为便于读者理解，图1-10给出了一个对齐的运动趋势的图例。图1-10某2相通电时的转子磁极和定子磁极对齐运动的最终位置～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～By:timegate墨鸢技术交流QQ:1181733110email:moyuan2000@163.com第7页无感无刷直流电机之电调设计全攻略V0.011.3外转子无刷直流电机的工作原理看完了内转子无刷直流电机的结构，我们来看外转子的。其区别就在于，外转子电机将原来处于中心位置的磁钢做成一片片，贴到了外壳上，电机运行时，是整个外壳在转，而中间的线圈定子不动。外转子无刷直流电机较内转子来说，转子的转动惯量要大很多（因为转子的主要质量都集中在外壳上），所以转速较内转子电机要慢，通常KV值在几百到几千之间，用在航模上可以直接驱动螺旋桨，而省去了机械减速机构。噢，这里顺便解释一下KV值的含义，网上其实一搜一大把啦，这里为了文档的完整性，也啰嗦一下吧。无刷电机KV值定义为：转速/V，意思为输入电压每增加1伏特，无刷电机空转转速增加的转速值。比如说，标称值为1000KV的外转子无刷电机，在11伏的电压条件下，最大空载转速即为：11rpm（rpm的含义是：转/分钟）。100011000×=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。1.一般外转子无刷直流电机的结构下面是一些常见的外转子无刷电机的结构：图1-11一些常见外转子无刷电机结构（摘自FreescalePZ104文档）其分析方法也和内转子电机类似，这里再唐僧一遍吧：转子永磁体的N极与定子绕组的S极有对齐的趋势，转子永磁体的S极与定子绕组的N极有对齐的趋势。2.新西达2212外转子电机的结构坛子里做四轴用得比较多的是新西达的KV值为1000的XXD2212电机。其结构为～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～By:timegate墨鸢技术交流QQ:1181733110email:moyuan2000@163.com第8页无感无刷直流电机之电调设计全攻略V0.0112绕组14极（即7对极），见图1-12。其结构如下：定子绕组固定在底座上，转轴和外壳固定在一起形成转子，插入定子中间的轴承。由于各种资料上很少有描述12绕组的线圈是怎么绕的，为此笔者专门破坏性地拆解了一个XXD2212电机（见图1-13），终于搞清楚了其绕组是怎么绕的，看在损失一个电机的份上，阿莫也该给个酷字，呵呵。图1-14画出了XXD2212电机的绕组绕法，跟我们想象的都不太一样，是吧？（注意圆心处三根导线是互相绝缘的，并不像普通星形方式是连在一起的）图1-12XXD2212电机结构（摘自网友liuliu443所发帖子）图1-13被笔者拆解的定子绕组～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～By:timegate墨鸢技术交流QQ:1181733110email:moyuan2000@163.com第9页无感无刷直流电机之电调设计全攻略V0.01图1-14XXD2212电机的绕线方式（注意圆心处三根线是互相绝缘的）图1-15详细画出了6种两相通电的情形，可以看出，尽管绕组和磁极的数量可以有许多种变化，但从电调控制的角度看，其通电次序其实是相同的，也就是说，不管外转子还是内转子电机，都遵循AB->AC->BC->BA->CA->CB的顺序进行通电换相。当然，如果你想让电机反转的话，可以按倒过来的次序通电：）。要说明一下的是，由于每根引出线同时接入两个绕组，所以电流是分两路走的。这里为使问题尽量简单化，下面几个图中只画出了主要一路的电流方向，还有一路电流未画出，另一路电流的具体情况放到1.5小节再作详细分析。～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～By:timegate墨鸢技术交流QQ:1181733110email:moyuan2000@163.com第10页无感无刷直流电机之电调设计全攻略V0.01(a)AB相通电情形(b)AC相通电情形图1-15XXD2212电机两两通电的6种情形～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～By:timegate墨鸢技术交流QQ:1181733110email:moyuan2000@163.com第11页无感无刷直流电机之电调设计全攻略V0.01(c)BC相通电情形(d)BA相通电情形图1-15XXD2212电机两两通电的6种情形（续）～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～By:timegate墨鸢技术交流QQ:1181733110email:moyuan2000@163.com第12页无感无刷直流电机之电调设计全攻略V0.01(e)CA相通电情形(f)CB相通电情形图1-15XXD2212电机两两通电的6种情形（续）～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～By:timegate墨鸢技术交流QQ:1181733110email:moyuan2000@163.com第13页无感无刷直流电机之电调设计全攻略V0.011.4无刷直流电机转矩的理论分析我们再回到最简单的三相二极内转子电机。以上的磁回路分析方法对于一般的感性认识来讲是足够了，但如果你翻阅的无刷电机的教材书够多的话，你会发现，几乎没有哪本教材是采用上面这种结构来说明无刷电机的工作原理的，这些教材中用的都是类似图1-17所示的结构来研究无刷电机的。究其原因，是因为上两小节示例的那种电机绕组结构，从严格上来说，并不是传统的经典的工业用无刷直流电机的结构，而是属于一种叫做“开关磁阻电机”（SwitchedReluctanceMotor）结构的变种（原始的开关磁阻电机的转子上是没有永磁体的）。由于它的控制方式很类似于无刷直流电机的6步二二导通控制方式，所以直接把它当无刷直流电机来用也没问题。真正的工业用无刷直流电机的定子绕组实物图见图1-18。顺便说一句，笔者遍查还施水阁中关于无刷电机的典藏古今中外约十来本（80年代的书应该算古了吧，呵呵），愣是没找到专门分析上两节那种电机结构和原理的著作，憾甚。如果哪位高人知道有相关的文献，还请指点一二，不胜感激。1.传统的无刷电机绕组结构其线圈形状见图1-16，线圈包围整个转子。电机三相绕组示意图见图1-17。图1-16磁场中的线圈图1-17电机绕组和转子抽象示意图～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～By:timegate墨鸢技术交流QQ:1181733110email:moyuan2000@163.com第14页无感无刷直流电机之电调设计全攻略V0.01图1-17中为简略示意起见，每相只画出了一个线圈，其实每相应该有N匝线圈。其绕组联结方式为：A’、B’、C’端通过星形联结在一起，A、B、C为电机的三根引出线。其实物外形见图1-18。（注意辨别图1-18和图1-12的绕组形式的区别）图1-18无刷直流电机定子绕组结构（摘自松晓的blog）2.转子磁场的分布情况绕组形式变成这个样子后，就可以用“左手定则”来分析啦。不过在此之前，还要搞清楚一件事情，就是在这种绕组结构下，磁感应强度B的分布情况。关于这个问题，在夏长亮的《无刷直流电机控制系统》一书中，开门见山地就讲清楚了，在此小赞一下，呵呵。现将这段论述摘抄如下：（不要问偶要电子书，没有，本书是从市立图书馆借的，各位想省点银子的也可以去图书馆借：）“目前，国内外对无刷直流电机（BrushlessDCmotor,BLDCM）定义一般有两种：一种定义认为只有梯形波/方波无刷直流电机才可以被称为无刷直流电机，而正弦波无刷电机则被称为永磁同步电机（permanentmagnetsynchronousmotor,PMSM）；另一种定义则认为梯形波/方波无刷电机和正弦波无刷电机都是无刷直流电机。迄今为止，还没有一个公认的统一 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 对无刷直流电机进行准确的分类和定义。本书将采用第一种定义，把具有串励直流电机启动特性和并励直流电机调速特性的梯形波/方波无刷直流电机称为无刷直流电机。”好了，现在来解释一下上面说的“梯形波/方波”是什么意思。图1-19展示了内转子磁极的磁感应强度B的分布情况。我们预定义磁感应强度方向向外为正，从图中可以看出，在0°的时候，处于正反方向交界处，磁感应强度为零，然后开始线性增加，在A点时达到最大，然后一直保持恒定值不变，直到B点开始下降，到180°的时候下降到零。然后开始负向增长，在C点处达到负值最大，然后保持恒定负值不变，直到D点强度开始减弱，到～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～By:timegate墨鸢技术交流QQ:1181733110email:moyuan2000@163.com第15页无感无刷直流电机之电调设计全攻略V0.010°时又回到零。至于A点到底在几度的位置，不同的电机不一样。如果A非常接近0°的位置，上升和下降直线就会非常陡峭，“梯形波”就变成了“方波”。根据右手定则E=BLV的公式，在匀速转动下，各绕组产生的反电动势波形也呈梯形波/方波。图1-19转子磁感应强度分布情况与此类似，上文提到的另一种“正弦波”电机就是一种磁感应强度呈正弦波图形分布的直流无刷电机，也叫永磁同步电机。这种电机的绕组结构和我们的梯形波电机的绕组结构不太相同，进而驱动方式也不太相同，需要用到矢量分析法，由于本文只关注于梯形波的无刷直流电机，故对这种正弦波电机就不展开讨论了。需要研究的朋友可以查看专门文献。3.转子的受力分析同样，我们仿照前面的做法，画出6种通电方式情形下，转子的受力情况，这里只用“左手定则”作一个定性分析。至于定量的计算，我们放到第三章的“启动算法”一小节中讨论。在下面的图1-20中，除了画出了6种通电情形外，还画出了6个中间过程，这是为了更清楚地说明问题，同时也与下一节将要讨论的换相内容作一个衔接。在图1-20(a)中，AB相通电，电流处于转子产生的磁场内，根据左手定则，我们判断线圈AA’中的上半部导线A受到一个顺时针方向的电磁力，而AA’的下半部导线A’也受到一个顺时针方向的电磁力。由于线圈绕组在定子上，定子是固定不动的，故根据作用力与反作用力，定子绕组AA’会施加给转子一个逆时针方向的反作用力，转子在这个力的作用下，就转起来了。同理，与AA’的情况类似，BB’也会对转子产生一个逆时针的反作用力。当转子逆时针转过60°后，到达图1-20(b)的位置，这时线圈BB’已经到达转子磁极的边缘位置了，再转下去就要产生反方向的力了，所以这时就要换相，换成AC相通电，见图1-20(c)。这样，每过60°换相通电，转子就可以一直转下去了。～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～By:timegate墨鸢技术交流QQ:1181733110email:moyuan2000@163.com第16页无感无刷直流电机之电调设计全攻略V0.01(a)AB相通电(b)转过60°(c)AC相通电(d)转过60°(e)BC相通电(f)转过60°(g)BA相通电(h)转过60°(i)CA相通电(j)转过60°(k)CB相通电(l)转过60°图1-20转子位置与换相的关系（参考自《电动机的单片机控制》王晓明著）～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～By:timegate墨鸢技术交流QQ:1181733110email:moyuan2000@163.com第17页无感无刷直流电机之电调设计全攻略V0.014.一种近似分析模型刚才的讨论全都基于一个假设，就是转子磁场的磁力线是垂直穿过绕组的导线的。但事实上，磁力线总是倾向于沿磁阻最小的路径前进，其实并不穿过导线，见下图。图1-21磁力线分布（摘自《IndustralBrushlessServomotors》）如果要分析这种情况下转子的受力情况，要用到复杂的磁链路分析理论。不过，事实上不用这么麻烦，实验证明，用高深的磁链路分析方法所得到的结果，和我们上面假设磁力线穿过导线的分析方法所得到的结果，基本吻合。这句话可不是我说的，这是一本名为《IndustralBrushlessServomotors》的书中提到结论的。也就是说，我们现在可以放心地用左手定则和右手定则去对绕组作近似分析了。顺便提一句，这本书写得不错，篇幅也不大，就180多页，想更全面研究无刷电机的朋友可以看看。（老样子，没有电子书，图书馆借的）好，有了这柄利器在手，再来看看我们能对1.3节的那种绕组结构作些什么简化和假设。毕竟，现在我们做四轴用的大多数电机都是以那种结构绕的。现仍以新西达2212电机为例，为了方便说明问题，每个绕组的N匝线圈现都简化成了一个，而且我们对所有绕组和磁极都做一了个编号，见图1-22。AB相通电时，A1-1导线处在N极下，根据左手定则，受到一个顺时针方向的作用力，即同时施加给转子一个逆时针方向的反作用力。同时，A1-2导线处于S极下，但电流方向与A1-1相反，所以还是会施加给转子一个逆时针方向的作用力。与此类似，A2-1，A2-2，B3-1，B3-2，B4-1，B4-2都会施加给转子一个逆时针方向的作用力，读者可自行分析。至于其换相和反电动势的情况，将放在下一小节详细分析。～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～By:timegate墨鸢技术交流QQ:1181733110email:moyuan2000@163.com第18页无感无刷直流电机之电调设计全攻略V0.01图1-22新西达2212电机AB相通电时情形1.5换相与调速1.换相基本原理(1)转子位置与过零检测前面已经唧唧歪歪过很多遍了，换相的时机只取决于转子的位置，那顺理成章的问题就是：转子的位置怎么测？一种比较简单的方式是用光电编码盘，这个东西在工业上用得比较多。不过由于其价格比较贵，而且还要接联轴器等一堆乱七八糟的东西，分量也不轻，显然不适合我们做四轴用。图1-23一种4位二进制编码盘（摘自《电动机的单片机控制》）～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～By:timegate墨鸢技术交流QQ:1181733110email:moyuan2000@163.com第19页无感无刷直流电机之电调设计全攻略V0.01其次是用霍耳效应器件来测，简单来讲，霍耳效应测量器件可以根据转子不同位置时的不同磁场方向分布情况，而给出1或0的输出，一般在电机的不同位置上装三个霍尔传感器，就可测出转子的位置。这就是所谓的“有感无刷电机的驱动”。这种方法在很多文献中多有论述，汗牛充栋，这里我也不展开讲了，需要的朋友可参看相关文献和教材。值得一提的是，车模和船模中的电调多是使用“有感”方式，因为其电机需要频繁启动、停止、反转，而且对整套动力系统的重量也不是十分讲究，故用有感无刷电机电调是比较合适的。接下来就是我们本文要主讲的“无感”测量方式。无传感器怎么测量？答：利用第三相的感生电动势。无感驱动方式的优点在于省略了三个霍尔传感器，整套系统分量更轻，结构更简单。其缺点在于启动比较麻烦（这个在后文会具体分析），启动的时候可控性较差，要达到一定转速后才变得可控。不过这对航模来说倒不是个问题，航空发动机一旦转起来后，在空中是不需要停车的。现在我们来具体分析无感无刷直流电机如何利用第三相的感生电动势去测量转子的位置。回过头再去看图1-20，先看图(a)和图(b)，在AB通电期间，你会发现线圈CC’的C边在图(a)中切割N极的磁力线并产生一个正向的感生电动势，在图(b)中确是切割S极的磁力线而产生一个反向的感生电动势了；C’边的情况也类似。（这里我们定义：在转子逆时针旋转时，C边切割N极磁力线和C’边切割S极磁力线产生的感生电动势为正；AA’和BB’也用类似的定义）。这说明，在AB相通电期间，如果我们去测量线圈CC’上的电压，会发现其间有一个从正到负的变化过程。与此类似，图(c)~图(l)中的情况也可以用相同的方法分析出来，如图1-24所示（图在下页）。这里需要说明一下的是，在AB相通电期间，不只是线圈CC’上产生感生电动势，其实AA’和BB’也在切割磁力线，也都会产生感生电动势，其电动势方向与外加的12V电源相反，所以叫“反向感生电动势”（BEMF）。其等效电路图见图1-25。==>图1-25AB相通电期间线圈AA’和BB’的等效电路（修改自MicrochipAN885文档）～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～By:timegate墨鸢技术交流QQ:1181733110email:moyuan2000@163.com第20页无感无刷直流电机之电调设计全攻略V0.01图1-24六种通电情形下各绕组的电流和感生电动势从图1-25可以看出，线圈绕组AA’和BB’上产生的反电动势是很大的，两个加起来几乎略小于12V。为什么呢，因为线圈绕组本身的等效电阻很小（约0.1欧左右），如果反电动势不大的话，端电压加载在线圈绕组等效电阻上，会产生巨大的电流，线圈非烧掉不可。为方便理解，我们姑且假设在额定转速下AA’和BB’各产生5.7V的反电动势，那么它们串联起来就产生11.4V的反电动势，结合图1-25看，那么加载在等效电阻上的电压就