最基本的電機(jī)是“DC電機(jī)（有刷電機(jī)）”。在磁場中放置線圈，通過流動的電流，線圈會被一側(cè)的磁極排斥，同時被另一側(cè)磁極所吸引，在這種作用下不斷旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)過程中令通向線圈中的電流反向流動，使其持續(xù)旋轉(zhuǎn)。電機(jī)中有個叫"換向器"的部分是靠"電刷"供電的，"電刷"的位置在"轉(zhuǎn)向器"上方，隨著旋轉(zhuǎn)不斷移動。通過改變電刷的位置，可使電流方向發(fā)生變化。換向器和電刷是DC電機(jī)的旋轉(zhuǎn)所不可或缺的結(jié)構(gòu)（圖一）。

圖一：DC電機(jī)（有刷電機(jī)）的運轉(zhuǎn)示意圖。

換向器切換線圈中電流的流向，反轉(zhuǎn)磁極的方向，使其始終向右旋轉(zhuǎn)。電刷向與軸一同旋轉(zhuǎn)的換向器供電。

活躍于多個領(lǐng)域的電機(jī)

我們按電源種類和轉(zhuǎn)動原理對電機(jī)進(jìn)行了分類（圖2）。讓我們來簡單看看各類電機(jī)的特點和用途吧。 ? ?

圖2：電機(jī)的主要類型

構(gòu)造簡單而又容易操控的DC電機(jī)（有刷電機(jī)）通常被用在家電產(chǎn)品的“光盤托盤的開閉”等用途上?；蛴迷谄嚨摹半妱雍笠曠R的開閉、方向控制”等用途上。雖然它既廉價又能用在多個領(lǐng)域上，但它也有缺陷。由于換向器會和電刷接觸，它的壽命很短，必須定期更換電刷或保修。

步進(jìn)電機(jī)會隨著向其發(fā)出的電脈沖數(shù)旋轉(zhuǎn)。它的運動量取決于向其發(fā)出的電脈沖數(shù)，因此適用于位置調(diào)整。在家庭中通常被用于“傳真機(jī)和打印機(jī)的送紙”等。由于傳真機(jī)的送紙步驟取決于規(guī)格（刻紋、細(xì)致度），因此隨著電脈沖數(shù)旋轉(zhuǎn)的步進(jìn)電機(jī)非常便于使用。很容易解決信號一旦停止機(jī)器就會暫時停止的問題。

旋轉(zhuǎn)數(shù)隨電源頻率變化的同步電機(jī)被用于“微波爐的旋轉(zhuǎn)桌”等用途上。電機(jī)組里有齒輪減速器，可以得到適合加熱食品的旋轉(zhuǎn)數(shù)。感應(yīng)電機(jī)也受電源頻率的影響，但頻率和旋轉(zhuǎn)數(shù)不一致。以前這類AC電機(jī)被用在風(fēng)扇或洗衣機(jī)上。

由此可見，各式各樣的電機(jī)活躍于多個領(lǐng)域。其中，BLDC電機(jī)（無刷電機(jī)）具有怎樣的特點才會用途如此之廣呢？ ? ?

BLDC電機(jī)是如何旋轉(zhuǎn)的？

BLDC電機(jī)中的“BL”意為“無刷”，就是DC電機(jī)（有刷電機(jī)）中的“電刷”沒有了。電刷在DC電機(jī)（有刷電機(jī)）里扮演的角色是通過換向器向轉(zhuǎn)子里的線圈通電。那么沒有電刷的BLDC電機(jī)是如何向轉(zhuǎn)子里的線圈通電的呢？原來BLDC電動機(jī)電機(jī)采用永磁體來做轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子里是沒有線圈的。由于轉(zhuǎn)子里沒有線圈，所以不需要用于通電的換向器和電刷。取而代之的是作為定子的線圈（圖3）。

DC電機(jī)（有刷電機(jī)）中被固定的永磁體所制造出的磁場是不會動的，通過控制線圈（轉(zhuǎn)子）在其內(nèi)部產(chǎn)生的磁場來旋轉(zhuǎn)。要通過改變電壓來改變旋轉(zhuǎn)數(shù)。BLDC電機(jī)的轉(zhuǎn)子是永磁體，通過改變周圍的線圈所產(chǎn)生的磁場的方向使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。通過控制通向線圈的電流方向和大小來控制轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。

圖3：BLDC電機(jī)的運轉(zhuǎn)示意圖。

BLDC電機(jī)將永磁體作為轉(zhuǎn)子。由于無需向轉(zhuǎn)子通電，因此不需要電刷和換向器。從外部對通向線圈的電進(jìn)行控制。 ? ?

BLDC電機(jī)的優(yōu)點

BLDC電機(jī)的定子上有三個線圈，每個線圈有兩根電線，電機(jī)中共有六根引出線。實際上，由于是內(nèi)部接線，通常只需要三根線，但還是比先前所說的DC電機(jī)（有刷電機(jī)）要多出一根。純靠連接電池的正負(fù)極是不會動的。至于如何運行BLDC電機(jī)將在本系列的第二回中進(jìn)行說明。此次我們要關(guān)注的是BLDC電機(jī)的優(yōu)點。

BLDC電機(jī)的第一個特點是“高效率”?？梢钥刂扑幕匦Γㄅぞ兀┦冀K保持最大值。DC電機(jī)(有刷電機(jī))的話，旋轉(zhuǎn)過程中最大扭矩只能保持一個瞬間，無法始終保持最大值。若DC電機(jī)（有刷電機(jī)）想要得到和BLDC電機(jī)一樣大的扭矩，只能加大它的磁鐵。這就是為什么小型BLDC電機(jī)也能發(fā)出強(qiáng)大力量的原因。

第二個特點是“良好的控制性”，與第一個有所關(guān)聯(lián)。BLDC電機(jī)可以絲毫不差的得到你所想要的扭矩、旋轉(zhuǎn)數(shù)等。BLDC電機(jī)可以精確地反饋目標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)、扭矩等。通過精確的控制可以抑制電機(jī)的發(fā)熱和電力的消耗。若是電池驅(qū)動，則能通過周密的控制，延長驅(qū)動時間。

除此之外還有耐用，電氣噪音小等特點。上述兩點是無電刷所帶來的優(yōu)勢。而DC電機(jī)（有刷電機(jī)）由于電刷和換向器之間的接觸，長時間使用會有損耗。接觸的部分還會產(chǎn)生火花。尤其是換向器的縫隙碰到電刷時會出現(xiàn)巨大的火花和噪音。若不希望使用過程中產(chǎn)生噪音，會考慮采用BLDC電機(jī)。

BLDC電機(jī)適用于這些方面

高效率、多樣操控、壽命長的BLDC電機(jī)一般會用在哪些地方呢？往往被用于能夠發(fā)揮其高效率、壽命長的特點，被連續(xù)使用的產(chǎn)品中。例如：家電。人們很早就開始使用洗衣機(jī)和空調(diào)了。最近電風(fēng)扇中也開始采用BLDC電機(jī)，并成功促使消耗電力大幅度下降。正是因為效率高才讓消耗電力下降的。

吸塵機(jī)中也采用了BLDC電機(jī)。在某個事例中，通過變更控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)數(shù)的大幅度上升。這個事例體現(xiàn)了BLDC電機(jī)的良好控制性。 ? ?

作為重要存儲介質(zhì)的硬盤，其旋轉(zhuǎn)部分也采用了BLDC電機(jī)。由于它是需要長時間運轉(zhuǎn)的電機(jī)，因此耐用性很重要。當(dāng)然，它還有極力抑制電力消耗的用途。這里的高效率也和電力的低消耗有關(guān)。

BLDC電機(jī)的用途還有很多

BLDC電機(jī)有望被應(yīng)用在更廣泛的領(lǐng)域中。BLDC電機(jī)將會在小型機(jī)器人，尤其是在制造以外的領(lǐng)域提供服務(wù)的“服務(wù)機(jī)器人”中得到廣泛應(yīng)用?！岸ㄎ粚τ跈C(jī)器人很重要，不是應(yīng)該使用隨電脈沖數(shù)運行的步進(jìn)電機(jī)嗎？”或許會有人這么想。但是在力量控制方面，BLDC電機(jī)更合適。另外，若采用步進(jìn)電機(jī)，像機(jī)器人手腕這樣的構(gòu)造要固定在某個位置需要提供相當(dāng)大的電流。若是BLDC電機(jī)，則能配合外力只提供所需的電力，從而抑制電力的消耗。

還可用于運輸方面。一直以來，老年人電動車或高爾夫球車中大多采用簡單的DC電機(jī)，但最近都開始采用具有良好控制性的高效率BLDC電機(jī)了。可以通過細(xì)微的控制，延長電池的持續(xù)時間。BLDC電機(jī)還適用于無人機(jī)中。尤其是多軸機(jī)架的無人機(jī)，由于它是通過改變螺旋槳的旋轉(zhuǎn)數(shù)來控制飛行姿態(tài)的，因此能夠精密控制旋轉(zhuǎn)的BLDC電機(jī)很有優(yōu)勢。

怎么樣？BLDC電機(jī)是效率高、控制性良好、壽命長的優(yōu)質(zhì)電機(jī)。但是，要想將BLDC電機(jī)的力量發(fā)揮到極致，則需要正確的控制。該如何操作呢？

僅靠連接無法轉(zhuǎn)動

內(nèi)轉(zhuǎn)子型BLDC電機(jī)是典型的BLDC電機(jī)的一種，其外觀與內(nèi)部構(gòu)造如下所示（圖1）。帶刷DC電機(jī)（以下稱為DC電機(jī)）的轉(zhuǎn)子上有線圈，外側(cè)放有永磁體。BLDC電機(jī)的轉(zhuǎn)子上有永磁體，外側(cè)是線圈。BLCD電機(jī)的轉(zhuǎn)子沒有線圈，是永磁體，因此沒有必要在轉(zhuǎn)子上通電。實現(xiàn)了不帶通電用的電刷的“無刷型”。

另一方面，與DC電機(jī)相比，控制也變得更難了。并不是只要將電機(jī)上的電纜接上電源就好了。本來就連電纜數(shù)目都不一樣。和“將正極（+）和負(fù)極（-）連上電源”的方式不同。 ? ?

圖1：BLDC電機(jī)的外觀及內(nèi)部構(gòu)造

轉(zhuǎn)子是永磁體，因此無法通電。無需電刷及換向器，可謀求延長使用壽命

改變磁通量的方向

為了轉(zhuǎn)動BLDC電機(jī)，必須控制線圈的電流方向及時機(jī)。圖2-A是將BLDC電機(jī)的定子（線圈）和轉(zhuǎn)子（永磁體）模式化的結(jié)果。使用該圖片，思考一下轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的情況吧。思考使用3個線圈的情況。雖然實際上也有使用6個或以上的線圈的情況，但在考慮原理的基礎(chǔ)上，每120度放一個線圈，使用3個線圈。電機(jī)將電氣（電壓、電流）轉(zhuǎn)換為機(jī)械性旋轉(zhuǎn)。圖2-A的BLDC電機(jī)又是如何轉(zhuǎn)動呢？先來看一看電機(jī)中發(fā)生了什么吧。 ? ?

圖2-A：BLDC電機(jī)轉(zhuǎn)動原理

BLDC電機(jī)中每隔120度放置一個線圈，總共放置三個線圈，控制通電相或線圈的電流

如圖2-A所示，BLDC電機(jī)使用3個線圈。這三個線圈用以在通電后生成磁通量，將其命名為U、V、W。將該線圈通電試試看吧。線圈U（以下簡稱為“線圈”）上的電流路徑記為U相，V的記錄為V相，W的記錄為W相。接下來看一看U相吧。向U相通電后，將產(chǎn)生如圖2-B所示的箭頭方向的磁通量。

但實際上，U、V、W的電纜都是互相連接著的，因此無法僅向U相通電。在這里，從U相向W相通電，會如圖2-C所示在U、W產(chǎn)生磁通量。合成U和W的兩個磁通量，變?yōu)閳D2-D所示的較大的磁通量。永磁體將進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以使該合成磁通量與中央的永磁體（轉(zhuǎn)子）的N極方向相同。

圖2-B：BLDC電機(jī)的轉(zhuǎn)動原理

從U相向W向通電。首先，只關(guān)注線圈U部分，則發(fā)現(xiàn)會產(chǎn)生如箭頭般的磁通量 ? ?

圖2-C：BLDC電機(jī)的轉(zhuǎn)動原理

從U相向W相通電，則會產(chǎn)生方向不同的2個磁通量

圖2-D：BLDC電機(jī)的轉(zhuǎn)動原理從U相向W相通電，可以認(rèn)為產(chǎn)生了兩個磁通量合成的磁通量

若改變合成磁通量的方向，則永磁體也會隨之改變。配合永磁體的位置，切換U相、V相、W相中通電的相，以變更合成磁通量的方向。連續(xù)執(zhí)行此操作，則合成磁通量將發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生磁場，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

圖3所示的是通電相與合成磁通量的關(guān)系。在該例中，按順序從1-6變更通電模式，則合成磁通量將順時針旋轉(zhuǎn)。通過變更合成磁通量的方向，控制速度，可控制轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度。將切換這6種通電模式，控制電機(jī)的控制方法稱為“120度通電控制”。 ? ?

圖3：轉(zhuǎn)子的永久磁石會像被合成磁通量牽引一樣旋轉(zhuǎn)，電機(jī)的軸也會因此旋轉(zhuǎn)

使用正弦波控制，進(jìn)行流暢的轉(zhuǎn)動

接下來，盡管在120度通電控制下合成磁通量的方向會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，但其方向不過只有6種。比如將圖3的“通電模式1”改為“通電模式2”，則合成磁通量的方向?qū)⒆兓?0度。然后轉(zhuǎn)子將像被吸引一樣發(fā)生旋轉(zhuǎn)。接下來，從“通電模式2”改為“通電模式3”，則合成磁通量的方向?qū)⒃俅巫兓?0度。轉(zhuǎn)子將再次被該變化所吸引。這一現(xiàn)象將反復(fù)出現(xiàn)。這一動作將變得生硬。有時這動作還會發(fā)出噪音。

能消除120度通電控制的缺點，實現(xiàn)流暢的轉(zhuǎn)動的正是“正弦波控制”。在120度通電控制中，合成磁通量被固定在了6個方向。進(jìn)行控制，使其進(jìn)行連續(xù)的變化。在圖2-C的例子中，U和W生成的磁通量大小相同。但是，若能較好地控制U相、V相、W相，則可讓線圈各自生成大小各異的磁通量，精密地控制合成磁通量的方向。調(diào)整U相、V相、W相各相的電流大小，與此同時生成了合成磁通量。通過控制這一磁通量連續(xù)生成，可使電機(jī)流暢地轉(zhuǎn)動。 ? ?

圖4：正弦波控制

正弦波控制可控制3相上的電流，生成合成磁通量，實現(xiàn)流暢的轉(zhuǎn)動。可生成120度通電控制無法生成的方向上生成合成磁通量

使用逆變器控制電機(jī)

那么U、V、W各相上的電流又如何呢？為便于理解，回想120度通電控制的情況看看吧。請再次查看圖3。在通電模式1時，電流從U流至W;在通電模式2時，電流從U流至V。可以看出，每當(dāng)有電流流動的線圈的組合發(fā)生改變時，合成磁通量箭頭的方向也會發(fā)生變化。

接下來，請看通電模式4。在該模式下，電流從W流至U，與通電模式1的方向相反。在DC電機(jī)中，像這樣的電流方向的轉(zhuǎn)換是由換向器和刷子的組合來進(jìn)行了。但是，BLDC電機(jī)不使用這樣的接觸型的方法。使用逆變器電路，更改電流的方向。在控制BLDC電機(jī)時，一般使用的是逆變器電路。

另外逆變器電路可改變各相中的外加電壓，調(diào)整電流值。電壓的調(diào)整中，常用的是PWM（PulseWidthModulation=脈沖寬度調(diào)制）。PWM是一種通過調(diào)整脈沖ON/OFF的時間長度改變電壓的方法，重要的是ON時間和OFF時間的比率（占空比）變化。若ON的比率較高，可以得到和提高電壓相同的效果。若ON的比率下降，則可以得到和電壓降低相同的效果（圖5）。

為了實現(xiàn)PWM，現(xiàn)在還有配備了專用硬件的微電腦。進(jìn)行正弦波控制時需控制3相的電壓，因此比起只有2相通電的120度通電控制來說，軟件要稍稍復(fù)雜一些。逆變器是對驅(qū)動BLDC電機(jī)必要的電路。交流電機(jī)中也使用了逆變器，但可以認(rèn)為家電產(chǎn)品中所說的“逆變器式”幾乎使用的是BLDC電機(jī)。 ? ?

圖5：PWM輸出與輸出電壓的關(guān)系

變更某時間內(nèi)的ON時間，以變更電壓的有效值。

ON時間越長，有效值越接近施加100%電壓時（ON時）的電壓

使用位置傳感器的BLDC電機(jī)

以上是BLDC電機(jī)的控制的概況。BLDC電機(jī)通過改變線圈生成的合成磁通量的方向，使轉(zhuǎn)子的永磁體隨之變化。

實際上，在以上的說明中，還有一點沒有提到。即BLDC電機(jī)中的傳感器的存在。BLDC電機(jī)的控制是配合著轉(zhuǎn)子（永磁體）的位置（角度）進(jìn)行的。因此，獲取轉(zhuǎn)子位置的傳感器是必需的。若沒有傳感器得知永磁體的方向時，轉(zhuǎn)子可能會轉(zhuǎn)至意料之外的方向。有傳感器提供信息的話，就不會出現(xiàn)這樣的情況了。

表1中顯示的是BLDC電機(jī)主要的位置檢測用傳感器的種類。根據(jù)控制方式的不同，需要的傳感器也是不同的。在120度通電控制中，為判斷要對哪個相通電，配備了可每60度輸入一次信號的霍爾效應(yīng)傳感器。另一方面，對于精密控制合成磁通量的“矢量控制”（在下一項中說明）來說，轉(zhuǎn)角傳感器或光電編碼器等高精度傳感器較為有效。 ? ?

通過使用這些傳感器可以檢測出位置，但也會帶來一些缺點。傳感器防塵能力較弱，而且維護(hù)也是不可或缺的。可使用的溫度范圍也會縮小。使用傳感器或為此增加配線都會造成成本的上升，而且高精度傳感器本身就價格高昂。于是，“無傳感器”這一方式登場了。它不使用位置檢測用傳感器，以此控制成本，且不需要傳感器相關(guān)的維護(hù)。但此次為了說明原理，因此假定已從位置傳感器獲得了信息來吧。

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傳感器種類	主要用途	特征
霍爾效應(yīng)傳感器	120度通電控制	每60度獲取一次信號。價格較低。不耐熱。
光電編碼器	正弦波控制、矢量控制	有增量型（可得知原位置開始的移動距離）和絕對型（可得知當(dāng)前位置的角度）兩種。分辨率高，但防塵埃能力較弱。
轉(zhuǎn)角傳感器	正弦波控制、矢量控制	分辨率高。即使在牢固的惡劣環(huán)境下也可使用。

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表1：位置檢測專用傳感器的種類及特征

通過矢量控制時刻保持高效率

正弦波控制為3相通電，流暢地改變合成磁通量的方向，因此轉(zhuǎn)子將流暢地旋轉(zhuǎn)。120度通電控制切換了U相、V相、W相中的2相，以此來使電機(jī)轉(zhuǎn)動，而正弦波控制則需要精確地控制3相的電流。而且控制的值是時刻變化的交流值，因此，控制變得更為困難。 ? ?

在這里登場的便是矢量控制了。矢量控制可通過坐標(biāo)變換，把3相的交流值作為2相的直流值進(jìn)行計算，因此可簡化控制。但是，矢量控制計算需要高分辨率下的轉(zhuǎn)子的位置信息。位置檢測有兩種方法，即使用光電編碼器或轉(zhuǎn)角傳感器等位置傳感器的方法，以及根據(jù)各相的電流值進(jìn)行推算的無傳感器方法。通過該坐標(biāo)變換可直接控制扭矩（旋轉(zhuǎn)力）的相關(guān)電流值，從而實現(xiàn)沒有多余電流的高效控制。

但是，矢量控制中需要進(jìn)行使用三角函數(shù)的坐標(biāo)變換，或復(fù)雜的計算處理。因此，大多情況下都會使用計算能力較強(qiáng)的微電腦作為控制用微電腦，比如配備了FPU（浮點運算器）的微電腦等。

無刷直流電機(jī)（BLDC：BrushlessDirectCurrentMotor），也被稱為電子換向電機(jī)（ECM或EC電機(jī)）或同步直流電機(jī)，是一種使用直流電（DC）電源的同步電機(jī)。無刷直流電機(jī)（BLDC：BrushlessDirectCurrentMotor）實質(zhì)上為采用直流電源輸入，并用逆變器變?yōu)槿嘟涣麟娫?，帶位置反饋的永磁同步電機(jī)。

無刷電機(jī)（BLDC：BrushlessDirectCurrentMotor）屬于自換流型（自我方向轉(zhuǎn)換），因此控制起來更加復(fù)雜。

BLDC電機(jī)（BrushlessDirectCurrentMotor）控制要求了解電機(jī)進(jìn)行整流轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)子位置和機(jī)制。對于閉環(huán)速度控制，有兩個附加要求，即對于轉(zhuǎn)子速度/或電機(jī)電流以及PWM信號進(jìn)行測量，以控制電機(jī)速度功率。

BLDC電機(jī)（BrushlessDirectCurrentMotor）可以根據(jù)應(yīng)用要求采用邊排列或中心排列PWM信號。大多數(shù)應(yīng)用僅要求速度變化操作，將采用6個獨立的邊排列PWM信號。這就提供了最高的分辨率。如果應(yīng)用要求服務(wù)器定位、能耗制動或動力倒轉(zhuǎn)，推薦使用補(bǔ)充的中心排列PWM信號。 ? ?

為了感應(yīng)轉(zhuǎn)子位置，BLDC電機(jī)（BrushlessDirectCurrentMotor）采用霍爾效應(yīng)傳感器來提供絕對定位感應(yīng)。這就導(dǎo)致了更多線的使用和更高的成本。無傳感器BLDC控制省去了對于霍爾傳感器的需要，而是采用電機(jī)的反電動勢(電動勢)來預(yù)測轉(zhuǎn)子位置。無傳感器控制對于像風(fēng)扇和泵這樣的低成本變速應(yīng)用至關(guān)重要。在采有BLDC電機(jī)（BrushlessDirectCurrentMotor）時，冰箱和空調(diào)壓縮機(jī)也需要無傳感器控制。

電機(jī)有各式各樣的種類，而無刷直流電機(jī)是當(dāng)今最理想的調(diào)速電機(jī)。它集直流電機(jī)與交流電機(jī)的優(yōu)點于一身，既有直流電機(jī)良好的調(diào)整性能，又有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、無換向火花、運行可靠和易于維護(hù)等優(yōu)點。因而備受市場歡迎，廣泛應(yīng)用于汽車、家電、工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域中。

無刷直流電機(jī)克服了有刷直流電機(jī)的先天性缺陷，以電子換向器取代了機(jī)械換向器，所以無刷直流電機(jī)既具有直流電機(jī)良好的調(diào)速性能等特點，又具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、無換向火花、運行可靠和易于維護(hù)等優(yōu)點。

無刷直流電機(jī)（BrushlessDirectCurrentMotor）是當(dāng)今最理想的調(diào)速電機(jī)。它集直流電機(jī)與交流電機(jī)的優(yōu)點于一身，既有直流電機(jī)良好的調(diào)整性能，又有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、無換向火花、運行可靠和易于維護(hù)等優(yōu)點。

無刷直流電機(jī)（BrushlessDirectCurrentMotor）發(fā)展歷史

直流無刷電機(jī)是在有刷電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，其結(jié)構(gòu)上要比有刷電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。直流無刷電機(jī)由電機(jī)主體和驅(qū)動器組成，區(qū)別于有刷直流電機(jī)，無刷直流電機(jī)（BrushlessDirectCurrentMotor）不使用機(jī)械的電刷裝置，而是采用方波的自控式永磁同步電機(jī)，并以霍爾傳感器取代碳刷換向器，以釹鐵硼作為轉(zhuǎn)子的永磁材料。（需要指出的是，在上世紀(jì)誕生電機(jī)的時候，產(chǎn)生的實用性電機(jī)卻是無刷形式的。）

1740年代：電機(jī)發(fā)明開始 ? ?

通過蘇格蘭科學(xué)家安德魯·戈登（AndrewGordon）的研究工作，電機(jī)的早期模型首次出現(xiàn)于1740年代。其他科學(xué)家，例如邁克爾·法拉第（MichaelFaraday）和約瑟夫·亨利（JosephHenry）繼續(xù)開發(fā)早期的電機(jī)，嘗試電磁場并發(fā)現(xiàn)如何將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

1832年：首款換向器直流電機(jī)的發(fā)明

1832年，英國物理學(xué)家威廉·斯特金（WilliamSturgeon）就發(fā)明了第一臺可以提供足夠動力來驅(qū)動機(jī)械的直流電機(jī)，但是由于其低功率輸出，仍有技術(shù)缺陷，應(yīng)用上受到嚴(yán)重限制。

1834年：制造了第一臺真正的電機(jī)

跟隨Sturgeon的腳步，美國佛蒙特州的托馬斯·達(dá)文波特（ThomasDavenport）于1834年發(fā)明了第一臺正式的電池供電的電機(jī)，從而創(chuàng)造了歷史。這是第一臺具有足夠功率執(zhí)行任務(wù)的電動馬達(dá)，他的發(fā)明被用于為小型印刷機(jī)提供動力。1837年，托馬斯·達(dá)文波特和他的妻子艾米莉·達(dá)文波特（EmilyDavenport）獲得了第一項直流電機(jī)專利。

1886年：實用性直流電機(jī)的發(fā)明 ? ?

1886年，第一臺可以在可變重量下恒速運行的實用直流電機(jī)面世。弗蘭克·朱利安·斯普拉格（FrankJulianSprague）是其發(fā)明者。

FrankJulianSprague的“實用”馬達(dá)

值得一提的是，該實用性電機(jī)采用無刷形式，即交流式鼠籠式異步電機(jī)，它不僅消除了火花、繞組兩端的電壓損失，可以以恒定速度輸送功率。但是，異步電機(jī)有許多無法克服的缺陷，以致電機(jī)技術(shù)發(fā)展緩慢。

1887年：交流感應(yīng)電機(jī)獲得專利

1887年，尼古拉·特斯拉（NikolaTesla）發(fā)明了交流感應(yīng)電機(jī)（ACinductionmotor），并在一年后成功申請了專利。它不適用于公路車輛，但后來由西屋公司的工程師進(jìn)行了改裝。1892年，設(shè)計了第一臺實用的感應(yīng)電機(jī)，接著是旋轉(zhuǎn)的條形繞組轉(zhuǎn)子，使該電機(jī)適用于汽車應(yīng)用。

1891年：三相電機(jī)的開發(fā) ? ?

1891年，通用電氣開始開發(fā)三相感應(yīng)電機(jī)（Threephasemotor）。為了利用繞線轉(zhuǎn)子設(shè)計，GE和西屋公司于1896年簽署了交叉許可協(xié)議。

1955年：直流無刷電機(jī)時代開始

1955年，美國d．harrison等人首次申請了用晶體管換向線路代替有刷直流電機(jī)機(jī)械電刷的專利，正式標(biāo)志著現(xiàn)代無刷直流電機(jī)（BrushlessDirectCurrentMotor）的誕生。但當(dāng)時沒有電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測器件，該電機(jī)沒有起動能力。

1962年：第一臺無刷直流（BLDC）電機(jī)的發(fā)明

得益于1960年代初期固態(tài)技術(shù)的進(jìn)步，1962年，TGWilson和PHTrickey發(fā)明了第一臺無刷直流（BLDC）電機(jī)，他們稱之為“帶固態(tài)換向的直流電機(jī)”。無刷電機(jī)的關(guān)鍵要素是它不需要物理換向器，因此成為計算機(jī)磁盤驅(qū)動器，機(jī)器人和飛機(jī)的最流行選擇。

他們利用了霍爾元件來檢測轉(zhuǎn)子位置并控制繞組電流換相，使無刷直流電機(jī)達(dá)到實用化，但受到晶體管容量的限制，電機(jī)功率相對較小。

1970年代至今：無刷直流電機(jī)應(yīng)用快速發(fā)展

70年代以來，隨著新型功率半導(dǎo)體器件（如GTR、MOSFET、IGBT、IPM）相繼出現(xiàn)，計算機(jī)控制技術(shù)（單片機(jī)、DSP、新的控制理論）的快速發(fā)展，以及高性能稀土永磁材料（如釤鈷、釹鐵硼）的問世，無刷直流電機(jī)（BrushlessDirectCurrentMotor）得到快速發(fā)展，容量不斷增大。

技術(shù)驅(qū)動產(chǎn)業(yè)發(fā)展，隨著1978年mac經(jīng)典無刷直流電機(jī)及其驅(qū)動器的推出，以及80年代方波無刷電機(jī)和正弦波無刷直流電機(jī)的研發(fā)，無刷電機(jī)真正開始進(jìn)入實用階段，并且得到快速發(fā)展。

無刷直流電機(jī)總體結(jié)構(gòu)及原理

無刷直流電機(jī)（BrushlessDirectCurrentMotor）由同步電動機(jī)和驅(qū)動器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。同步電動機(jī)的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機(jī)十分相似。 ? ?

BLDCM控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括電機(jī)本體、驅(qū)動電路與控制電路三個主要部分。在工作過程中，電機(jī)的電壓、電流和轉(zhuǎn)子位置信息由控制電路收集、處理并生成相應(yīng)的控制信號，驅(qū)動電路在接收到控制信號后驅(qū)動電機(jī)本體工作。

無刷直流電機(jī)（BrushlessDirectCurrentMotor）主要由帶有線圈繞組的定子、用永磁材料制造的轉(zhuǎn)子和位置傳感器組成。位置傳感器，根據(jù)需要，也可以不配置。

定子

BLDC電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與感應(yīng)電機(jī)相似。它由堆疊的鋼疊片組成，并帶有軸向切槽以用于纏繞。BLDC中的繞組與傳統(tǒng)感應(yīng)電機(jī)的繞組略有不同。

BLDC電機(jī)定子

通常，大多數(shù)BLDC電機(jī)由三個定子繞組組成，這三個定子繞組以星形或“Y”形連接（無中性點）。另外，基于線圈互連，定子繞組進(jìn)一步分為梯形和正弦電動機(jī)。

BLDC電機(jī)反電動勢

在梯形電動機(jī)中，驅(qū)動電流和反電動勢均呈梯形形狀（在正弦電動機(jī)的情況下為正弦形）。通常，在汽車和機(jī)器人技術(shù)（混合動力汽車和機(jī)器人手臂）中使用額定48V（或以下）的電動機(jī)。

轉(zhuǎn)子

BLDC電動機(jī)的轉(zhuǎn)子部分由永磁體（通常是稀土合金磁體，例如釹（Nd），釤鈷（SmCo）和釹鐵硼（NdFeB）組成。

根據(jù)應(yīng)用，極數(shù)可以在2到8個之間變化，北極（N）和南極（S）交替放置。下圖顯示了磁極的三種不同布置。

（a）磁體放置在轉(zhuǎn)子的外周上。

（b）稱為電磁嵌入式轉(zhuǎn)子，其中矩形永磁體嵌入轉(zhuǎn)子的鐵心中。

（c）將磁體插入轉(zhuǎn)子的鐵芯中。 ? ?

BLDC電機(jī)轉(zhuǎn)子

位置傳感器（霍爾傳感器）

由于BLDC電機(jī)中沒有電刷，因此換向是電子控制的。為了使電機(jī)旋轉(zhuǎn)，必須順序地給定子繞組通電，并且必須知道轉(zhuǎn)子的位置（即轉(zhuǎn)子的北極和南極）才能精確地給一組特定的定子繞組通電。

通常使用霍爾傳感器（根據(jù)霍爾效應(yīng)原理工作）的位置傳感器來檢測轉(zhuǎn)子的位置并將其轉(zhuǎn)換為電信號。大多數(shù)BLDC電機(jī)使用三個霍爾傳感器，這些傳感器嵌入到定子中以檢測轉(zhuǎn)子的位置。

霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。1879年美國物理學(xué)家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)，但是由于金屬材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，開始用半導(dǎo)體材料制作霍爾元件，由于霍爾效應(yīng)顯著而得到應(yīng)用和發(fā)展?；魻杺鞲衅魇且环N當(dāng)交變磁場經(jīng)過時產(chǎn)生輸出電壓脈沖的傳感器。脈沖的幅度是由激勵磁場的場強(qiáng)決定的。因此，霍爾傳感器不需要外界電源供電。

霍爾傳感器的輸出將是高電平還是低電平，這取決于轉(zhuǎn)子的北極是南極還是北極附近。通過組合三個傳感器的結(jié)果，可以確定通電的確切順序。

有別于有刷直流電機(jī)，無刷直流電機(jī)將定子和轉(zhuǎn)子完全顛倒，電樞繞組被設(shè)置在定子側(cè)，而把高質(zhì)量永磁材料鑲嵌于轉(zhuǎn)子側(cè)。BLDCM的電機(jī)本體結(jié)構(gòu)主要包括定子電樞繞組、永磁轉(zhuǎn)子和位置傳感器，三相繞組在電機(jī)定子空間上均勻布置，在相位之間分別相差120°電角度。該結(jié)構(gòu)不同于純粹的有刷直流電動機(jī)，與交流電動機(jī)的定子繞組結(jié)構(gòu)類似，但在電機(jī)工作時會由驅(qū)動電路向其提供方波交流電。 ? ?

BLDCM選擇全橋三相星形接線六狀態(tài)二-二導(dǎo)通方式，在同一時刻，驅(qū)動電路中導(dǎo)通兩只MOSFET，相應(yīng)地，電機(jī)本體中兩相定子繞組串聯(lián)通電。每電子換相一次，定子磁動勢Fa轉(zhuǎn)過60°空間電角度，是一個步進(jìn)式磁動勢，間隔60°時間電角度，F(xiàn)a作一次跳躍。雖然轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)連續(xù)不斷，但是定子磁動勢轉(zhuǎn)動方式為步進(jìn)式，這與真正的交流同步電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁動勢相異。BLDCM的Fa與轉(zhuǎn)子磁動勢Ff的空間夾角總是在60°～120°范圍內(nèi)周期性變化，平均值為90°，這樣保證了定、轉(zhuǎn)子磁動勢Fa、Ff相互作用得到的是平均最大電磁轉(zhuǎn)矩T，強(qiáng)力拖動永磁轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

無刷直流電機(jī)的工作原理與有刷直流電機(jī)相似。洛倫茲力定律指出，只要載流導(dǎo)體置于磁場中，它就會受到作用力。由于反作用力，磁體將承受相等且相反的力。當(dāng)線圈中通過電流后，會產(chǎn)生磁場，該磁場被定子的磁極所驅(qū)動，同極性相互排斥，異極性相互吸引，如果持續(xù)改變線圈中電流的方向的話，那么轉(zhuǎn)子所感應(yīng)出磁場的磁極也會持續(xù)發(fā)生變化，那么轉(zhuǎn)子就會在磁場的作用下一直轉(zhuǎn)動。

在BLDC電機(jī)中，永磁體（轉(zhuǎn)子）是運動的，而載流導(dǎo)體（定子）是固定的。 ? ?

BLDC電機(jī)運轉(zhuǎn)示意圖

當(dāng)定子線圈從電源獲得電源時，它就變成電磁體并開始在氣隙中產(chǎn)生均勻的磁場。盡管電源是直流電，但開關(guān)仍會產(chǎn)生具有梯形形狀的交流電壓波形。由于電磁定子和永磁轉(zhuǎn)子之間的相互作用力，轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。

通過將繞組切換為高和低信號，相應(yīng)的繞組被激勵為北極和南極。帶有南極和北極的永磁轉(zhuǎn)子與定子極對齊，從而導(dǎo)致電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

一對極和兩對極的BLDC電機(jī)運行動圖 ? ?

無刷直流電機(jī)有三種配置：單相，兩相和三相。其中，三相BLDC是最常見的一種。

（3）無刷直流電機(jī)的驅(qū)動方法

無刷直機(jī)電機(jī)的驅(qū)動方式按不同類別可分多種驅(qū)動方式：

按驅(qū)動波形：方波驅(qū)動，這種驅(qū)動方式實現(xiàn)方便，易于實現(xiàn)電機(jī)無位置傳感器控制;

正弦驅(qū)動：這種驅(qū)動方式可以改善電機(jī)運行效果，使輸出力矩均勻，但實現(xiàn)過程相對復(fù)雜。同時，這種方法又有SPWM和SVPWM(空間矢量PWM)兩種方式，SVPWM的效果好于SPWM。

（4）無刷直流電機(jī)的優(yōu)點與不足：

優(yōu)點：

?高輸出功率

?小尺寸和重量

?散熱性好、效率高

?運行速度范圍寬

?低電噪聲

?高可靠性和低維護(hù)要求

?高動態(tài)響應(yīng)

?電磁干擾少

不足：

控制該電機(jī)所需的電子控制器很昂貴

需要復(fù)雜的驅(qū)動電路

需要額外的位置傳感器（FOC不用）

（5）無刷直流電機(jī)的應(yīng)用

無刷直流電機(jī)廣泛用于各種應(yīng)用需求，例如工業(yè)控制（在紡織、冶金、印刷、自動化生產(chǎn)流水線、數(shù)控機(jī)床等工業(yè)生產(chǎn)方面，無刷直流電機(jī)都發(fā)揮重要的作用。），汽車（雨刷器、電動車門、汽車空調(diào)、電動車窗等部位都有電機(jī)的身影。），航空，自動化系統(tǒng)（在生活中常見的打印機(jī)、傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)、硬盤驅(qū)動器、軟盤驅(qū)動器、電影攝影機(jī)等，在它們的主軸和附屬運動的帶動控制中，都有無刷直流電機(jī)的身影。），醫(yī)療保健設(shè)備（對無刷直流電機(jī)的使用已經(jīng)較為普遍，可以用來驅(qū)動人工心臟中的小型血泵;在國內(nèi)，手術(shù)用高速器具的高速離心機(jī)、熱像儀和測溫儀的紅外激光調(diào)制器都使用了無刷直流電機(jī)。）等領(lǐng)域中的各種負(fù)載，恒定負(fù)載和定位應(yīng)用。 ? ?

無刷直流電機(jī)與有刷直流電機(jī)的區(qū)別:

無刷直流電機(jī)與有刷直流電機(jī)的對比

全球BLDC電機(jī)主流制造商（Top10）

目前BLDC產(chǎn)業(yè)內(nèi)，排名比較靠前的企業(yè)有ABB、阿美特克（AMTEK）、日本電產(chǎn)、美蓓亞集團(tuán)、德昌電機(jī)、聯(lián)合運動技術(shù)公司、保德電子公司、北美電氣公司、施耐德電氣、及雷勃電氣（RegalBeloitCorporation）等。

直流無刷電機(jī)介紹

直流無刷電機(jī)（BLDC）是同步電機(jī)中的一種，即定子產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場具有相同的頻率。其因具有高輸出功率、低電噪聲、高可靠性、高動態(tài)響應(yīng)、電磁干擾少、更好的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點，而被廣泛使用。 ? ?

直流無刷電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

直流無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖如下圖所示(有槽、外轉(zhuǎn)子、無傳感器電機(jī)為例)：

上圖無刷電機(jī)由前蓋、中蓋、磁鐵、硅鋼片、漆包線、軸承、轉(zhuǎn)軸以及后蓋組成。其中，磁鐵、軸承、轉(zhuǎn)軸組成電機(jī)的轉(zhuǎn)子；硅鋼片、漆包線組成電機(jī)的定子；前蓋、中蓋、后蓋組成電機(jī)的外殼。重要組成說明如下表所示：

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?	組成	描述
轉(zhuǎn)子	磁鐵	無刷電子的重要組成部分。無刷電機(jī)絕大部分性能參數(shù)都與其相關(guān)； ? ? ? ?
	轉(zhuǎn)軸	轉(zhuǎn)子的直接受力部分；
	軸承	是電機(jī)運轉(zhuǎn)順暢的保證；目前大多數(shù)的無刷電機(jī)都是采用深溝球軸承；
定子	硅鋼片	是有槽無刷電機(jī)的重要組成部分，主要作用是降低磁阻、參與磁路運轉(zhuǎn)；
	漆包線	作為線圈繞組的通電導(dǎo)體；通過電流交變頻率和波形，在定子周圍形成磁場，驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動；

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轉(zhuǎn)子描述

直流無刷電機(jī)(BLDC)的轉(zhuǎn)子由永磁體制成，多對磁極按照N極和S極交替排列(涉及極對數(shù)參數(shù))。

定子描述

直流無刷電機(jī)(BLDC)的定子由硅鋼片組成(如下圖)，定子繞組置于沿內(nèi)部軸軸向開鑿的槽中(涉及鐵芯極數(shù)(槽數(shù)N)參數(shù))。每個定子繞組由許多線圈相互連接而成。常見的繞組分布呈三連接星型的方式。 ? ?

三連接星型繞組線圈，按照線圈連接的方式，可將定子繞組分為梯形、正弦波繞組。兩者的區(qū)別主要是產(chǎn)生的反電動勢的波形。顧名思義：梯形定子繞組產(chǎn)生梯形的反電動勢，正弦波繞組產(chǎn)生正弦波的反電動勢。如下圖所示： ? ?

PS：電機(jī)無負(fù)載供電時，通過示波器可測出波形.

02直流無刷電機(jī)分類

直流無刷電機(jī)分類描述

直流無刷電機(jī)(BLDC)按照轉(zhuǎn)子分布可分為內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)、外轉(zhuǎn)子電機(jī)；按照驅(qū)動相可分為單相電機(jī)、兩相電機(jī)、三相電機(jī)(使用最普遍)；按照是否裝有傳感器分為有感電機(jī)和無感電機(jī)等等；對于電機(jī)的分類有很多，篇幅原因，這里不作過來描述，感興趣的兄弟可自行了解。

內(nèi)、外轉(zhuǎn)子電機(jī)描述

無刷電機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)子和定子的排位結(jié)構(gòu)，可分為外轉(zhuǎn)子電機(jī)和內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)兩種（如下圖）。 ? ?

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電機(jī)	描述
外轉(zhuǎn)子電機(jī)	內(nèi)部通電線圈繞組作為定子，永磁體與外殼聯(lián)動為轉(zhuǎn)子；通俗來說：轉(zhuǎn)子在外、定子在內(nèi)；
內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)	內(nèi)部永磁體與轉(zhuǎn)軸聯(lián)動為轉(zhuǎn)子，通電線圈繞組與外殼作為定子。通俗來說：轉(zhuǎn)子在內(nèi)、定子在外；

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內(nèi)、外轉(zhuǎn)子電機(jī)區(qū)別

內(nèi)、外轉(zhuǎn)子電機(jī)除了轉(zhuǎn)子和定子排序不一樣外，還有如下的區(qū)別：

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特性	內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)	外轉(zhuǎn)子電機(jī)
功率密度 ? ? ? ?	更高	較低
轉(zhuǎn)速	更高	較低
穩(wěn)定性	較低	更高
成本	相對更高	相對更低
散熱性	較差	更好
極對數(shù)	更少	更多

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03直流無刷電機(jī)參數(shù)

無刷電機(jī)參數(shù)

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參數(shù)	描述
額定電壓	對于無刷電機(jī)而言，其適合的工作電壓非常廣，此參數(shù)是指定負(fù)載條件下的工作電壓.
KV值	物理意義：1V工作電壓下每分鐘的轉(zhuǎn)速，即： 轉(zhuǎn)速（空載）=KV值*工作電壓； ? ? ? ? 對于尺寸規(guī)格的無刷電機(jī)而言： 1.繞線匝數(shù)多，KV值低，最高輸出電流小，扭力大； 2.繞線匝數(shù)少，KV值高，最高輸出電流大，扭力??；
轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速	轉(zhuǎn)矩(力矩、扭矩）： 電機(jī)中轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的可以用來帶動機(jī)械負(fù)載的驅(qū)動力矩； 轉(zhuǎn)速： 電機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)速；
最大電流	能夠承受并安全工作的最大電流
槽極結(jié)構(gòu)	鐵芯極數(shù)(槽數(shù)N)： 定子硅鋼片的槽數(shù)量； 磁鋼極數(shù)(極數(shù)P)： 轉(zhuǎn)子上磁鋼的數(shù)量；
定子電感	電動機(jī)靜止時的定子繞組兩端的電感
定子電阻	在20℃下電動機(jī)每相繞組的直流電阻
反電動勢系數(shù)	在規(guī)定條件下，電動機(jī)繞組開路時，單位轉(zhuǎn)速在電樞繞組中所產(chǎn)生的線感應(yīng)電動勢值

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BLDC電機(jī)控制 ? ?

BLDC電機(jī)控制算法

無刷電機(jī)屬于自換流型（自我方向轉(zhuǎn)換），因此控制起來更加復(fù)雜。

BLDC電機(jī)控制要求了解電機(jī)進(jìn)行整流轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)子位置和機(jī)制。對于閉環(huán)速度控制，有兩個附加要求，即對于轉(zhuǎn)子速度/或電機(jī)電流以及PWM信號進(jìn)行測量，以控制電機(jī)速度功率。

BLDC電機(jī)可以根據(jù)應(yīng)用要求采用邊排列或中心排列PWM信號。大多數(shù)應(yīng)用僅要求速度變化操作，將采用6個獨立的邊排列PWM信號。這就提供了最高的分辨率。如果應(yīng)用要求服務(wù)器定位、能耗制動或動力倒轉(zhuǎn)，推薦使用補(bǔ)充的中心排列PWM信號。

為了感應(yīng)轉(zhuǎn)子位置，BLDC電機(jī)采用霍爾效應(yīng)傳感器來提供絕對定位感應(yīng)。這就導(dǎo)致了更多線的使用和更高的成本。無傳感器BLDC控制省去了對于霍爾傳感器的需要，而是采用電機(jī)的反電動勢(電動勢)來預(yù)測轉(zhuǎn)子位置。無傳感器控制對于像風(fēng)扇和泵這樣的低成本變速應(yīng)用至關(guān)重要。在采有BLDC電機(jī)時，冰箱和空調(diào)壓縮機(jī)也需要無傳感器控制。 ? ?

空載時間的插入和補(bǔ)充

大多數(shù)BLDC電機(jī)不需要互補(bǔ)的PWM、空載時間插入或空載時間補(bǔ)償?？赡軙筮@些特性的BLDC應(yīng)用僅為高性能BLDC伺服電動機(jī)、正弦波激勵式BLDC電機(jī)、無刷AC、或PC同步電機(jī)。

控制算法

許多不同的控制算法都被用以提供對于BLDC電機(jī)的控制。典型地，將功率晶體管用作線性穩(wěn)壓器來控制電機(jī)電壓。當(dāng)驅(qū)動高功率電機(jī)時，這種方法并不實用。高功率電機(jī)必須采用PWM控制，并要求一個微控制器來提供起動和控制功能。

控制算法必須提供下列三項功能：

用于控制電機(jī)速度的PWM電壓

用于對電機(jī)進(jìn)整流換向的機(jī)制

利用反電動勢或霍爾傳感器來預(yù)測轉(zhuǎn)子位置的方法

脈沖寬度調(diào)制僅用于將可變電壓應(yīng)用到電機(jī)繞組。有效電壓與PWM占空度成正比。當(dāng)?shù)玫竭m當(dāng)?shù)恼鲹Q向時，BLDC的扭矩速度特性與以下直流電機(jī)相同?？梢杂每勺冸妷簛砜刂齐姍C(jī)的速度和可變轉(zhuǎn)矩。 ? ?

功率晶體管的換向?qū)崿F(xiàn)了定子中的適當(dāng)繞組，可根據(jù)轉(zhuǎn)子位置生成最佳的轉(zhuǎn)矩。在一個BLDC電機(jī)中，MCU必須知道轉(zhuǎn)子的位置并能夠在恰當(dāng)?shù)臅r間進(jìn)行整流換向。

BLDC電機(jī)的梯形整流換向

對于直流無刷電機(jī)的最簡單的方法之一是采用所謂的梯形整流換向。

用于BLDC電機(jī)的梯形控制器的簡化框圖

在這個原理圖中，每一次要通過一對電機(jī)終端來控制電流，而第三個電機(jī)終端總是與電源電子性斷開。 ? ?

嵌入大電機(jī)中的三種霍爾器件用于提供數(shù)字信號，它們在60度的扇形區(qū)內(nèi)測量轉(zhuǎn)子位置，并在電機(jī)控制器上提供這些信息。由于每次兩個繞組上的電流量相等，而第三個繞組上的電流為零，這種方法僅能產(chǎn)生具有六個方向共中之一的電流空間矢量。隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)向，電機(jī)終端的電流在每轉(zhuǎn)60度時，電開關(guān)一次(整流換向)，因此電流空間矢量總是在90度相移的最接近30度的位置。

梯形控制：驅(qū)動波形和整流處的轉(zhuǎn)矩

因此每個繞組的電流波型為梯形，從零開始到正電流再到零然后再到負(fù)電流。這就產(chǎn)生了電流空間矢量，當(dāng)它隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)在6個不同的方向上進(jìn)行步升時，它將接近平衡旋轉(zhuǎn)。

在像空調(diào)和冰箱這樣的電機(jī)應(yīng)用中，采用霍爾傳感器并不是一個不變的選擇。在非聯(lián)繞組中感應(yīng)的反電動勢傳感器可以用來取得相同的結(jié)果。

這種梯形驅(qū)動系統(tǒng)因其控制電路的簡易性而非常普通，但是它們在整流過程中卻要遭遇轉(zhuǎn)矩紋波問題。 ? ?

BLDC電機(jī)的正弦整流換向

梯形整流換向還不足以為提供平衡、精準(zhǔn)的無刷直流電機(jī)控制。這主要是因為在一個三相無刷電機(jī)(帶有一個正統(tǒng)波反電動勢)中所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩由下列等式來定義：

轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩=Kt[IRSin(o)+ISSin(o+120)+ITSin(o+240)]

其中：o為轉(zhuǎn)軸的電角度Kt為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)IR,IS和IT為相位電流如果相位電流是正弦的：IR=I0Sino;IS=I0Sin(+120o);IT=I0Sin(+240o)

將得到：轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩=1.5I0*Kt(一個獨立于轉(zhuǎn)軸角度的常數(shù))

正弦整流換向無刷電機(jī)控制器努力驅(qū)動三個電機(jī)繞組，其三路電流隨著電機(jī)轉(zhuǎn)動而平穩(wěn)的進(jìn)行正弦變化。選擇這些電流的相關(guān)相位，這樣它們將會產(chǎn)生平穩(wěn)的轉(zhuǎn)子電流空間矢量，方向是與轉(zhuǎn)子正交的方向，并具有不變量。這就消除了與北形轉(zhuǎn)向相關(guān)的轉(zhuǎn)矩紋波和轉(zhuǎn)向脈沖。

為了隨著電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，生成電機(jī)電流的平穩(wěn)的正弦波調(diào)制，就要求對于轉(zhuǎn)子位置有一個精確有測量?；魻柶骷H提供了對于轉(zhuǎn)子位置的粗略計算，還不足以達(dá)到目的要求?；谶@個原因，就要求從編碼器或相似器件發(fā)出角反饋。

BLDC電機(jī)正弦波控制器的簡化框圖

由于繞組電流必須結(jié)合產(chǎn)生一個平穩(wěn)的常量轉(zhuǎn)子電流空間矢量，而且定子繞組的每個定位相距120度角，因此每個線組的電流必須是正弦的而且相移為120度。采用編碼器中的位置信息來對兩個正弦波進(jìn)行合成，兩個間的相移為120度。然后，將這些信號乘以轉(zhuǎn)矩命令，因此正弦波的振幅與所需要的轉(zhuǎn)矩成正比。結(jié)果，兩個正弦波電流命令得到恰當(dāng)?shù)亩ㄏ啵瑥亩谡环较虍a(chǎn)生轉(zhuǎn)動定子電流空間矢量。 ? ?

正弦電流命令信號輸出一對在兩個適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)繞組中調(diào)制電流的P-I控制器。第三個轉(zhuǎn)子繞組中的電流是受控繞組電流的負(fù)和，因此不能被分別控制。每個P-I控制器的輸出被送到一個PWM調(diào)制器，然后送到輸出橋和兩個電機(jī)終端。應(yīng)用到第三個電機(jī)終端的電壓源于應(yīng)用到前兩個線組的信號的負(fù)數(shù)和，適當(dāng)用于分別間隔120度的三個正弦電壓。

結(jié)果，實際輸出電流波型精確的跟蹤正弦電流命令信號，所得電流空間矢量平穩(wěn)轉(zhuǎn)動，在量上得以穩(wěn)定并以所需的方向定位。

一般通過梯形整流轉(zhuǎn)向，不能達(dá)到穩(wěn)定控制的正弦整流轉(zhuǎn)向結(jié)果。然而，由于其在低電機(jī)速度下效率很高，在高電機(jī)速度下將會分開。這是由于速度提高，電流回流控制器必須跟蹤一個增加頻率的正弦信號。同時，它們必須克服隨著速度提高在振幅和頻率下增加的電機(jī)的反電動勢。

由于P-I控制器具有有限增益和頻率響應(yīng)，對于電流控制回路的時間變量干擾將引起相位滯后和電機(jī)電流中的增益誤差，速度越高，誤差越大。這將干擾電流空間矢量相對于轉(zhuǎn)子的方向，從而引起與正交方向產(chǎn)生位移。

當(dāng)產(chǎn)生這種情況時，通過一定量的電流可以產(chǎn)生較小的轉(zhuǎn)矩，因此需要更多的電流來保持轉(zhuǎn)矩。效率降低。

隨著速度的增加，這種降低將會延續(xù)。在某種程度上，電流的相位位移超過90度。當(dāng)產(chǎn)生這種情況時，轉(zhuǎn)矩減至為零。通過正弦的結(jié)合，上面這點的速度導(dǎo)致了負(fù)轉(zhuǎn)矩，因此也就無法實現(xiàn)。 ? ?

AC電機(jī)控制算法

標(biāo)量控制

標(biāo)量控制(或V/Hz控制)是一個控制指令電機(jī)速度的簡單方法

指令電機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型主要用于獲得技術(shù)，因此瞬態(tài)性能是不可能實現(xiàn)的。系統(tǒng)不具有電流回路。為了控制電機(jī)，三相電源只有在振幅和頻率上變化。

矢量控制或磁場定向控制

在電動機(jī)中的轉(zhuǎn)矩隨著定子和轉(zhuǎn)子磁場的功能而變化，并且當(dāng)兩個磁場互相正交時達(dá)到峰值。在基于標(biāo)量的控制中，兩個磁場間的角度顯著變化。

矢量控制設(shè)法在AC電機(jī)中再次創(chuàng)造正交關(guān)系。為了控制轉(zhuǎn)矩，各自從產(chǎn)生磁通量中生成電流，以實現(xiàn)DC機(jī)器的響應(yīng)性。

一個AC指令電機(jī)的矢量控制與一個單獨的勵磁DC電機(jī)控制相似。在一個DC電機(jī)中，由勵磁電流IF所產(chǎn)生的磁場能量ΦF與由電樞電流IA所產(chǎn)生的電樞磁通ΦA(chǔ)正交。這些磁場都經(jīng)過去耦并且相互間很穩(wěn)定。因此，當(dāng)電樞電流受控以控制轉(zhuǎn)矩時，磁場能量仍保持不受影響，并實現(xiàn)了更快的瞬態(tài)響應(yīng)。

三相AC電機(jī)的磁場定向控制(FOC)包括模仿DC電機(jī)的操作。所有受控變量都通過數(shù)學(xué)變換，被轉(zhuǎn)換到DC而非AC。其目標(biāo)的獨立的控制轉(zhuǎn)矩和磁通。

磁場定向控制(FOC)有兩種方法：直接FOC:轉(zhuǎn)子磁場的方向(Rotorfluxangle)是通過磁通觀測器直接計算得到的間接FOC:轉(zhuǎn)子磁場的方向(Rotorfluxangle)是通過對轉(zhuǎn)子速度和滑差(slip)的估算或測量而間接獲得的。

矢量控制要求了解轉(zhuǎn)子磁通的位置，并可以運用終端電流和電壓(采用AC感應(yīng)電機(jī)的動態(tài)模型)的知識，通過高級算法來計算。然而從實現(xiàn)的角度看，對于計算資源的需求是至關(guān)重要的。 ? ?

可以采用不同的方式來實現(xiàn)矢量控制算法。前饋技術(shù)、模型估算和自適應(yīng)控制技術(shù)都可用于增強(qiáng)響應(yīng)和穩(wěn)定性。

AC電機(jī)的矢量控制：深入了解

矢量控制算法的核心是兩個重要的轉(zhuǎn)換:Clark轉(zhuǎn)換，Park轉(zhuǎn)換和它們的逆運算。采用Clark和Park轉(zhuǎn)換，帶來可以控制到轉(zhuǎn)子區(qū)域的轉(zhuǎn)子電流。這種做充許一個轉(zhuǎn)子控制系統(tǒng)決定應(yīng)供應(yīng)到轉(zhuǎn)子的電壓，以使動態(tài)變化負(fù)載下的轉(zhuǎn)矩最大化。

Clark轉(zhuǎn)換：Clark數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換將一個三相系統(tǒng)修改成兩個坐標(biāo)系統(tǒng)：

其中Ia和Ib正交基準(zhǔn)面的組成部分，Io是不重要的homoplanar部分 ? ?

三相轉(zhuǎn)子電流與轉(zhuǎn)動參考系的關(guān)系

Park轉(zhuǎn)換：Park數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換將雙向靜態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)動系統(tǒng)矢量

兩相α,β幀表示通過Clarke轉(zhuǎn)換進(jìn)行計算，然后輸入到矢量轉(zhuǎn)動模塊，它在這里轉(zhuǎn)動角θ，以符合附著于轉(zhuǎn)子能量的d,q幀。根據(jù)上述公式，實現(xiàn)了角度θ的轉(zhuǎn)換。

AC電機(jī)的磁場定向矢量控制的基本結(jié)構(gòu)

Clarke變換采用三相電流IA,IB以及IC，這兩個在固定座標(biāo)定子相中的電流被變換成Isd和Isq，成為Park變換d,q中的元素。其通過電機(jī)通量模型來計算的電流Isd,Isq以及瞬時流量角θ被用來計算交流感應(yīng)電機(jī)的電動扭矩。 ? ?

矢量控制交流電機(jī)的基本原理

這些導(dǎo)出值與參考值相互比較，并由PI控制器更新。

基于矢量的電機(jī)控制的一個固有優(yōu)勢是，可以采用同一原理，選擇適合的數(shù)學(xué)模型去分別控制各種類型的AC,PM-AC或者BLDC電機(jī)。

BLDC電機(jī)的矢量控制 ? ?

BLDC電機(jī)是磁場定向矢量控制的主要選擇。采用了FOC的無刷電機(jī)可以獲得更高的效率，最高效率可以達(dá)到95%，并且對電機(jī)在高速時也十分有效率。

步進(jìn)電機(jī)控制

步進(jìn)電機(jī)控制通常采用雙向驅(qū)動電流，其電機(jī)步進(jìn)由按順序切換繞組來實現(xiàn)。通常這種步進(jìn)電機(jī)有3個驅(qū)動順序：

1.單相全步進(jìn)驅(qū)動：

在這種模式中，其繞組按如下順序加電，AB/CD/BA/DC(BA表示繞組AB的加電是反方向進(jìn)行的)。這一順序被稱為單相全步進(jìn)模式，或者波驅(qū)動模式。在任何一個時間，只有一相加電。

2.雙相全步進(jìn)驅(qū)動：

在這種模式中，雙相一起加電，因此，轉(zhuǎn)子總是在兩個極之間。此模式被稱為雙相全步進(jìn)，這一模式是兩極電機(jī)的常態(tài)驅(qū)動順序，可輸出的扭矩最大。

3.半步進(jìn)模式：

這種模式將單相步進(jìn)和雙相步進(jìn)結(jié)合在一起加電：單相加電，然后雙相加電，然后單相加電…，因此，電機(jī)以半步進(jìn)增量運轉(zhuǎn)。這一模式被稱為半步進(jìn)模式，其電機(jī)每個勵磁的有效步距角減少了一半，其輸出的扭矩也較低。 ? ?

以上3種模式均可用于反方向轉(zhuǎn)動(逆時針方向)，如果順序相反則不行。

通常，步進(jìn)電機(jī)具有多極，以便減小步距角，但是，繞組的數(shù)量和驅(qū)動順序是不變的。

通用DC電機(jī)控制算法

通用電機(jī)的速度控制，特別是采用2種電路的電機(jī)：相角控制PWM斬波控制

相角控制

相角控制是通用電機(jī)速度控制的最簡單的方法。通過TRIAC的點弧角的變動來控制速度。相角控制是非常經(jīng)濟(jì)的解決方案，但是，效率不太高，易于電磁干擾(EMI)。

通用電機(jī)的相角控制

以上示圖表明了相角控制的機(jī)理，是TRIAC速度控制的典型應(yīng)用。TRIAC門脈沖的周相移動產(chǎn)生了有效率的電壓，從而產(chǎn)生了不同的電機(jī)速度，并且采用了過零交叉檢測電路，建立了時序參考，以延遲門脈沖。 ? ?

PWM斬波控制

PWM控制是通用電機(jī)速度控制的，更先進(jìn)的解決方案。在這一解決方案中，功率MOFSET，或者IGBT接通高頻整流AC線電壓，進(jìn)而為電機(jī)產(chǎn)生隨時間變化的電壓。

通用電機(jī)的PWM斬波控制

其開關(guān)頻率范圍一般為10-20KHz，以消除噪聲。這一通用電機(jī)的控制方法可以獲得更佳的電流控制和更佳的EMI性能，因此，效率更高。 ? ?

審核編輯：黃飛