無刷直流電機原理介紹：

無刷直流電機又稱"無換向器電機交一直一交系統(tǒng)"或"直交系統(tǒng)"，是將交流電源整流后變成直流，再由逆變器轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的交流電，此處逆變器是工作在直流斬波方式。

無刷直流電機由同步電動機和驅(qū)動器組成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。同步電動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機十分相似。而轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機轉(zhuǎn)子的極性，在電動機內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是:接受電動機的啟動、停止、制動信號，以控制電動機的啟動、停止和制動;接受位置傳感器信號和正反轉(zhuǎn)信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩;接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速;提供保護和顯示等等。在無刷直流電機中，借助反映主轉(zhuǎn)子位置的位置傳感器的輸出信號，通過電子換相線路去驅(qū)動與電樞繞組連接的相應(yīng)的功率開關(guān)器件，使電樞繞組依次饋電，從而在定子上產(chǎn)生跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，位置傳感器不斷地送出信號，以改變電樞繞組的通電狀態(tài)，使得在某一磁極下導(dǎo)體中的電流方向始終保持不變，這就是無刷直流電機的玩接觸式換相過程。

無刷直流電機的位置傳感器編碼使通電的兩相繞組合成磁場軸線位置超前轉(zhuǎn)子磁場軸線位置，所以不論轉(zhuǎn)子的起始位置處在何處，電動機在啟動瞬間就會產(chǎn)生足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩，因此轉(zhuǎn)子上不需另設(shè)啟動繞組。

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

學(xué)習(xí)一下BLDC電機的高效控制方法：

BLDC電機具備效率高、可小型化、壽命長、易控制等優(yōu)點，受到了廣泛關(guān)注。這次就來學(xué)習(xí)一下BLDC電機的控制方法，使其高效轉(zhuǎn)動吧。

僅靠連接無法轉(zhuǎn)動

內(nèi)轉(zhuǎn)子型BLDC電機是典型的BLDC電機的一種，其外觀與內(nèi)部構(gòu)造如下所示（圖1）。帶刷DC電機（以下稱為DC電機）的轉(zhuǎn)子上有線圈，外側(cè)放有永磁體。BLDC電機的轉(zhuǎn)子上有永磁體，外側(cè)是線圈。BLCD電機的轉(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電機相比，控制也變得更難了。并不是只要將電機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，必須控制線圈的電流方向及時機。圖2-A是將BLDC電機的定子（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。電機將電氣（電壓、電流）轉(zhuǎn)換為機械性旋轉(zhuǎn)。圖2-A的BLDC電機又是如何轉(zhuǎn)動呢？先來看一看電機中發(fā)生了什么吧。

圖2-A：BLDC電機轉(zhuǎn)動原理BLDC電機中每隔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)，電機的軸也會因此旋轉(zhuǎn)

使用正弦波控制，進行流暢的轉(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。進行控制，使其進行連續(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

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行了。但是，BLDC電機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（Pulse Width Modulation=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電機必要的電路。交流電機中也使用了逆變器，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。

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

以上是BLDC電機的控制的概況。BLDC電機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電機中的傳感器的存在。BLDC電機的控制是配合著轉(zhuǎn)子（永磁體）的位置（角度）進行的。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。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。

表1：位置檢測專用傳感器的種類及特征

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。

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。