无刷电机的驱动电路结构和时序图

来源：rohm

本文将为大家介绍用来驱动无刷电机的电机驱动器的电路结构和工作。

无刷电机驱动基础

要想很好地驱动无刷电机，需要了解使电机绕组中流过电流的电路结构，并了解表示电流流动时间顺序的“时序图”中的波形含义，这些很重要。时序图是电机驱动器进行电机驱动控制时的重要规格图，可以从中了解转子位置与通电波形的关系，因此有必要充分理解。

无刷电机驱动电路结构

无刷电机配有晶体管（电气开关）和用来控制开关工作的控制器。用来驱动无刷电机的电路，在实际应用中可能需要配备一些其他元器件来辅助电路工作。在这里，将使用下图所示的常用电路结构来为大家介绍各个部件的作用及其工作。

■ 控制IC（控制器）

- 能够接收转子的位置信号并生成功率晶体管开关信号的电路。
- 能够接收外部指令并对施加在绕组上的电压大小等进行控制。
- 有些控制IC还具有电机转速控制等高级控制功能。

■ 电平转换电路（栅极驱动器）

- 将来自控制器的信号转换为使功率晶体管工作的信号（调整电压电平和极性）的电路。

■ 功率晶体管（Power Tr）

- 用来构建向电机绕组供电的电路。
- 三相无刷电机中需要使用6个功率晶体管。连接电源正极的一侧称为高边
  （Hi侧/上侧/High Side），连接电源负极（GND，接地）的一侧称为低边
  （Lo侧/下侧/Low Side）。例如这样的表述：“将三个高边晶体管全部关闭”。

■ 位置检测器（霍尔器件）

- 检测转子的位置。在这里以霍尔器件为例进行介绍。除了霍尔器件外，还有编码器和旋转变压器等位置检测器。
- 还有一种称为“无传感器驱动”的技术，这种技术不使用位置检测器，而是根据绕组的电压和电流大小等信息来推算转子位置。

在实际的电机电路板上，会配有集成了控制IC和电平转换电路的IC、集多个功率晶体管于一身的一体化封装晶体管等产品。另外，霍尔器件会被配置在容易检测永磁体磁通量的位置。此外，还会配备各IC的外置部件所需的电阻和电容等元器件。但是，在电路简图中，可以简化为上图所示的“电路结构”（※在IC的规格书中给出的应用电路示例等电路图中，基本上会包含外围元器件）。

在面将通过驱动电路输出的电信号和绕组作为电磁体而产生的磁场，为大家介绍无刷电机是如何旋转的。

无刷电机驱动电路的时序图

要想很好地驱动无刷电机，了解时序图中的波形含义是非常重要的。时序图是电机驱动控制用的规格说明图。在本文中，将为大家介绍时序图中的每个波形的含义。

电机是随着施加于绕组的电压和所流过的电流的变化而旋转的。表示使电机旋转时的电信号变化的图称为“时序图”。在表示逻辑电路的工作等情况下也会用到“时序图”这个术语，在本文中是指电机驱动的时序图。

时序图是以转子位置（电角度）为横轴来表示各电路的主要信号的。在时序图中，当信号为数字信息时，通常用Hi或Lo两个值来表示。在下面的时序图中，霍尔信号和UH等的实际电压值各不相同，这些不同本应该体现在波形的高度上，但由于希望表达出来的是Hi或Lo，因此很多情况下并没有在波形中体现出来。

在这里，作为示例，给出了与前述有刷电机的工作几乎相同的无刷电机驱动电路的时序图。希望执行这样的工作时，最好将霍尔器件安装在下图所示位置。后面会讲到为什么这个位置更好，在这里只要知道最好安装在这里即可。接下来通过下图来进行具体介绍。

无刷电机驱动电路的时序图（1）：绕组端子的电压

首先，设上图中的转子位置在时序图的左端，角度为0度（参见图底部的刻度值）。当电机从此处向左（逆时针方向）旋转时，每个电路信号的变化如时序图所示。下面对信号的进行简要说明：■ 向控制IC输入：霍尔U、V、W

– 霍尔器件根据对面的磁极来输出Hi/Lo信号。在IC中，可根据3枚霍尔器件的Hi/Lo逻辑将转子位置分为6处（参见时序图顶部的数字编号）。例：｛U、V、W｝＝分度１｛Lo、Hi、Lo｝、分度２｛Lo、Hi、Hi｝～分度6｛Hi、Hi、Lo｝

■从控制IC输出：UH～WL

– 控制IC根据上述分度信息生成晶体管ON/OFF指令信号UH～WL。
– 虽然图示中没有列出，但从UH～WL的信号会传递至电平转换部，由电平转换电路转换为晶体管可以接收（可以驱动晶体管）的信号

■晶体管部分：U、V、W绕组电压

– 功率晶体管以UH～WL信号为指令进行ON/OFF（指令为Hi时ON，指令为Lo时OFF）。此工作决定了绕组端子的电压。
– 高边和低边晶体管均OFF时，绕组端子电压处于开路状态（这里本应看到的波形将在后面进行介绍）。

前面提到的“动作几乎与有刷电机相同”是指该绕组电压的模式相同。

无刷电机驱动电路的时序图（2）：电压模式产生的电磁场

前面的图中显示了绕组端子的电压。接下来，将使用下图来讲解通过施加这种绕组端子电压，在什么位置产生电磁体，以及转子是如何旋转的。

第一张图是表示电流方向与N极/S极关系的示意图。要想很好地理解后续要介绍的时序图和1～6分度的转子位置解说，需要先了解第一张示意图中的关系。

首先，在图中的分度1中，电源电压施加在U相绕组上，V相绕组接地（以下简称“GND”）。也就是可以理解为电流从U相流向V相。

另外，如果U相绕组为N极，则V相绕组为S极（假设是这样绕制的）。当转子处于1分度的位置时，如果绕组的磁极如上所示，则转子将逆时针旋转。

当转子转动，霍尔信号W的极性切换后，进入分度2。在这里，电流从U相流向W相，绕组的磁场如上图所示进行切换。此时转子也是逆时针旋转。

转子通过反复“产生磁场”→“转子旋转”→“霍尔信号切换”→“产生下一模式的磁场”→“转子旋转”→“霍尔信号切换”而连续旋转。这是该时序图所显示的工作情况。

对了，讲解内容读到这里，有些人可能会有疑惑：讲解的角度是否反了呢？的确，如果是讲解电路工作的话，按照上述思路是没问题的，但是从驱动电机的角度来看，应该是按照“希望在能让转子转动的位置产生磁场”→“以这种方式控制晶体管的ON/OFF” → “在必要的位置安装霍尔器件”的思路进行。在下一篇中，将按照这个思路为大家介绍如何绘制时序图。

无刷电机时序图的绘制方法

在上一篇文章中，从控制IC入手，从电路工作的角度为大家讲解了电机的工作机制。通过这些内容，大家应该已经了解了整个电路的运作情况。在本文中，将更进一步，来讲解为什么信号会形成这样的时序。实际上，在电机驱动器的开发和设计过程中，要想绘制（可能用“创建”更贴切吧）出能够实现自己预期性能（比如使电机高效且安静地旋转）的时序图，从这个方向进行思考是非常重要的。

首先应该掌握的是，相对于转子（永磁体），应该在什么位置产生电磁体的磁场更好。例如，如果希望逆时针旋转，那么就需要在永磁体N极左侧的适当位置创建电磁体的S极。然而，仅仅如此并不能说是最优的，除此之外还要求电机能够以尽可能少的功率（电能）产生所需的转矩（机械能）。这会受电机要素特性（如增加磁体的磁力）的影响，也受永磁体与电磁体的相对位置（角度）的影响。因此，重要的是要确切地知道创建电磁体的位置，而不仅仅是知道配置在左侧。

关于永磁体转子和电磁体定子产生的转矩，适用下图所示的理论。从下图可以看出，电机产生的转矩取决于磁体磁场与绕组（电磁体）磁场之间的相对角度θ，通过sinθ计算（假设绕组产生的磁场和永磁体产生的磁场的大小是恒定的）。

理论上，在磁场的相对角度为90度时转矩最大。因此，相对于转子磁场方向，最好使绕组磁场的方向在该角度附近。

基于该理论，我们根据可能的条件来思考，在实机应用中应该以怎样的时序来产生绕组磁场才算好。首先，可以利用3枚霍尔器件的极性信号，以60度间隔的电角度来区分转子位置。还有，通过施加在绕组端子上的电压组合，可以在6个方向上产生绕组磁场。由此可见，根据转子的6个位置（范围），正好可以选择6个方向的绕组磁场。

那么，在每个转子位置应产生多大相对角度的绕组磁场呢？如果要想获得较大的转矩，那么相对角度范围应在60～120度之间比较好。当转子旋转并超出该范围后，电机将会进入下一个绕组磁场模式（下图）。

我们基于这个思路，从下往上看下面给出的时序图。换句话说，我们需要根据转子的位置和转动情况来确认各信号处于什么样的状态（必须处于哪种状态）。

针对时序图最右侧灰色箭头所示的1～5，说明如下：1. 首先，U、V、W绕组的磁极是由转子的位置来决定的。从图中可以看出，在这个转子位置上转矩最大，需要在该位置前后30度区间产生相同的磁场。
2. 接下来，确定产生该绕组磁场的电流方向。电流方向与施加在绕组上的电压方向一致。例如，如果电流从U相流向V相以使U为N极、V为S极的话，那么U相绕组端子电流为正，V相电流为负（GND）。
3. 要想这样向绕组施加电压，需要使U相的高边晶体管和V相的低边晶体管导通。因此，将UH和VL的信号置Hi。此时，其他信号为Lo。其他转子位置也是用同样的思路，来确定从UH到WL的信号逻辑。
4. 接下来，为了能够如图所示切换从UH到WL的6个信号，最好使原来的霍尔信号在图示位置进行切换。顺便提一下，这里每个信号的Hi/Lo的切换位置都很重要，并不是必须实现和上图完全一样的霍尔U、V、W波形（只要知道转子的6个位置位置，那么其他逻辑组合也可以）。
5. 为了在该转子位置切换霍尔信号，应在上图所示的位置安装霍尔器件。对于此处的安装位置而言，相对于绕组的角度是非常重要的。径向位置需要另行单独考虑。

如上所述，无刷电机的时序图以及相应的霍尔器件安装位置就是这样决定的。这种工作模式与有刷电机一样的时序图，在无刷电机驱动控制中被称为“120度激励”。由于这种控制方式比较简单而得以广泛应用，不过目前已经针对无刷电机的驱动控制，设计出了其他多种激励模式。也可以说，这种方式与使用换向器的机械开关的结构不同，现在已经可以使用控制IC来调整激励模式了。