原创 无刷电机的绕组电流和感应电压

1. ①U电流为什么会呈现这样的波形？
2. ②可以明白UH、UL的信号和波形，但放大后UH却呈脉冲状（ON/OFF反复）。
3. ③可以明白U电压（U相绕组引脚电压）在UH呈脉冲状的部分随着UH呈脉冲状，在UL导通（ON）的部分为GND电位，但在UH和UL关断（OFF）期间的斜率波形是怎样的？
4. ④电源电流中含有哪些信息？该电流也是脉冲状的。

• 无刷电机的绕组电流
• 无刷电机感应电压产生的原理
• 无刷电机的感应电压波形
• 与无刷电机的感应电压波形息息相关的绕组电流

无刷电机的绕组电流

流过电机绕组的电流是决定绕组磁场大小、乃至转矩大小的重要因素。因此，我们需要充分理解电流是如何决定这些参数的。本文将使用“无刷电机时序图的绘制方法”中给出的120度激励电流波形进行解说。

120度激励的电流将以360度的电角度（1个电周期）切换6次。具体而言，比如在下图中，从U相流向V相的电流体现为“从U相切换为W相”，这样的动作执行6次。

在这样的切换过程中，流动的电流会暂时下降后再恢复。另外，当电流在其他相流动时（例如电流从V相流向W相时的U相），U相电流不会流动，因此电流值会变为零。在负电流侧也是如此。

这就是120度激励的电流波形会呈现图中所示波形的一个原因，不过还有一部分是用这个原因解释不了的。例如，在图中的“U⇒V”范围内，曾经变大的电流在短暂减小后再次变大。为什么会出现这样的波形呢？

为了便于解说，我们先来温习一下线圈电流相关的理论知识。理想的线圈是用电感来表示的，但实际上里面含有有电阻值，因此在电路中可用下图的形式来体现。在这个电路中，当施加了电压时，电流波形应该是如图所示的波形，电流不会短暂减少。

实际上，可以说形成这种增减状态的电流波形的主要原因，正是使无刷电机的控制难度增加的因素之一。其主要原因是线圈的发电。

此前我们也提到过，电机是将电能转换为机械能的一种设备，对于使用永磁体的电机而言，只要利用外力使之旋转就可以将机械能转换为电能，也就是所谓的“发电机”。而且，这种发电现象不仅发生在借助外力旋转时，其实也发生在“自转时”。这种由永磁体和线圈产生的发电电压被称为“感应电动势”、“反电动势”、“感应电压等，有时也被表述为“BEMF（ack electromotive force）”。在这里我们将其称为“感应电压”。

这种感应电压是绕组电流增减的主要原因。

无刷电机感应电压产生的原理

无刷电机是通过转子转动而在线圈（绕组）上产生感应电压的。这种感应电压会对电机的特性产生不同程度的影响，因此与“绕组电流”一样，我们也需要了解这种感应电压。

首先，请回忆一下在学校物理等课程中学过的“电磁感应”。线圈试图阻止磁场（磁通量）发生变化。例如，如下图所示，随着N接近线圈，通过线圈的磁通量会逐渐增加，因此线圈电流沿着产生与之排斥的磁场的方向流动。该电流使得线圈两端产生电压。相反，随着N远离线圈，线圈试图维持磁场的方向，因此在靠近时会产生反向的电流和电压。这种产生电压的现象叫做“电磁感应”。此时的电流被称为“感应电流”，电压除了这里使用的“感应电压”外，还被称为“感应电动势”、“反电动势”等。

*图中磁体磁场的箭头表示磁场大小的变化。实际上线圈内并不会发生像图中那样大小的不均匀。

对于无刷电机而言，与其说磁体靠近或远离，不如说通过线圈的磁通量会因转子的旋转而变化，因而产生与其变化量相应的感应电压（上图右侧）。

在考虑通过线圈（齿槽）的磁通量变化量时，需要知道“在不同的位置转子表面的磁通量大小不同”这一点。有的转子磁通密度基本均匀，也有的转子如下图所示，磁通密度大小在圆周方向呈正弦波状分布。后者这种转子有“正弦波着磁转子”等称呼。在这种着磁的情况下，当转子旋转时，就会发生如上图右侧所示的磁通量变化。

无刷电机的感应电压波形

无刷电机的感应电压是通过线圈的磁通量变化作为电压体现出来了。这里所说的“通过线圈的磁通量”是指进入绕线齿槽的磁通量。

我们先来谈谈这个“进入齿槽的磁通量”。电机磁体和线圈的位置关系如下图所示。也就是说，可以认为每个齿槽中会通过与该齿槽相对的磁体的磁通量。

接下来我们以图中所示的表面磁通量（两种模式）为例，来思考进入齿槽的磁通量。

该图用转子旋转一圈（360度）的细分图来表示图上方的结构图所示的“表面磁通量显示点”的位置对面的转子表面磁通量的大小。另外，还计算了进入齿槽的总磁通量，同样是按照360度计算的。该总磁通量是通过将齿槽相对的磁体的磁通量（图中的“进入齿槽的磁通量范围”）相加计算得出的。也就是说，当转子旋转、位置改变时，磁通量就会发生变化。

例如，在0度的转子位置上，齿槽对面的磁极由于N和S等量，因此齿槽磁通量为零；在90度的位置上，与N的中心相对，因此齿槽磁通量最大。如果按360度计算，那么在正弦波着磁的情况下，齿槽磁通量（总磁通量）也是正弦波的。

而且，这种齿槽磁通量的变化（微分）会成为感应电压（微分时符号要加负号）。也就是可以理解为，相位与对面的表面磁通相差90度。

着磁波形大致可以分为正弦波、矩形波和梯形波。第二个例子是梯形波着磁的情况。顺便提一下，前面提到的矩形波与这里的梯形波的区别在于N和S的切换梯度，但并没有明确的定义。通常把坡度比较平缓的称为“梯形波”。

在梯形波的情况下，进入齿槽的磁通量波形不再是正弦波波形。用微分计算得出的感应电压波形也是图中所示的形状。关于梯形波着磁的感应电压，应该注意的是着磁波形与感应电压波形的特点存在明显不同。例如，梯形波着磁尽管表面磁通的N和S变化部分的斜率比正弦波着磁更陡峭，但其感应电压的正负变化部分（过零点）要比正弦波着磁更平缓。

感应电压波形的不同会影响各种电机特性和控制特性（后续会具体介绍）。然而，由于不同类型电机的感应电压形状也各不相同，而且与着磁波形也不一致（正弦波除外），因此很难把握。作为电机控制的第一步，要有意识地确认要控制的电机的感应电压波形是什么样的波形，这一点非常重要。

前面我们已经对无刷电机实际信号波形中的疑问①“U电流为什么会呈现这样的波形”进行了解释说明。本文将总结说明绕组电流与感应电压之间的关系。

与无刷电机的感应电压波形息息相关的绕组电流

在此前相关解说的基础上，我们再次来探讨一下绕组电流波形。

考虑到无刷电机的线圈会产生感应电压，所以在“无刷电机的绕组电流”所示的等效电路图中增加了感应电压（Vbemf）。这样的话，如果是下图所示的施加电压和感应电压波形，则实际施加于线圈的电压将是图中灰色部分的电压。

从上图中可以看出，实际施加在该绕组线圈上的电压开始时很大，中间变小，然后又变大。由于电压波形（灰色部分）的形状如此，所以绕组电流就是中间凹陷状的波形（与“无刷电机的绕组电流”中所示的波形相同）。

讲到这里，您的脑中是不是浮现出了“如果施加电压和感应电压的大小发生变化，那么绕组电流的大小及其波形也会随之变化”呢？施加电压是控制IC可以控制的电压，而感应电压则会因各种条件而变化。就如此前曾经介绍过的，感应电压是通过线圈的磁通量的变化量，因此关于感应电压的大小（峰值），可以说：

▶磁体的磁力越大感应电压越大 ← 因为磁通量的绝对量增加
▶线圈的匝数越多感应电压越大 ← 因为发电的线圈量增加
▶电机的转速越快（越高）感应电压越大 ← 因为磁通量的变化变快。反之则越小

在这里就不再赘述严谨的理论了，需要知道的是，感应电压的大小在这样的条件下会发生变化。

下图给出了当感应电压的大小发生变化时，电流波形的变化示例。当感应电压越大且接近施加电压的大小时，电流中央的凹陷程度将会更明显（下图上侧）。另外，在施加电压的时间点电流波形也会发生变化，该变化与感应电压的大小无关（下图下侧）。

这是以120度激励（矩形）为例的波形变化情况，当然，在其他的激励模式下，绕组电流也会因感应电压的大小、位置以及形状而变化。这会对电机的特性产生各种影响，后续我们会探讨相关的内容。

来源：techclass.rohm