无刷直流（BLDC）电机的原理及正确的使用方法

当工程师想利用电气、电子的机器在现实世界中做些什么时，他们会思考怎样才能将电信号变为“力”？将电信号转换为力的就是传动器，即电机。可以将电机视作“将电气转换为机械的力的元件”。最基本的电机是 “DC电机（有刷电机）”。在磁场中放置线圈，通过流动的电流，线圈会被一侧的磁极排斥，同时被另一侧磁极所吸引，在这种作用下不断旋转。在旋转过程中令通向线圈中的电流反向流动，使其持续旋转。电机中有个叫'换向器'的部分是靠'电刷'供电的，'电刷'的位置在'转向器'上方，随着旋转不断移动。通过改变电刷的位置，可使电流方向发生变化。换向器和电刷是DC电机的旋转所不可或缺的结构（图一）。

图一：DC电机（有刷电机）的运转示意图。换向器切换线圈中电流的流向，反转磁极的方向，使其始终向右旋转。电刷向与轴一同旋转的换向器供电。活跃于多个领域的电机我们按电源种类和转动原理对电机进行了分类（图2）。让我们来简单看看各类电机的特点和用途吧。

图2：电机的主要类型构造简单而又容易操控的DC电机（有刷电机）通常被用在家电产品的“光盘托盘的开闭”等用途上。或用在汽车的“电动后视镜的开闭、方向控制”等用途上。虽然它既廉价又能用在多个领域上，但它也有缺陷。由于换向器会和电刷接触，它的寿命很短，必须定期更换电刷或保修。步进电机会随着向其发出的电脉冲数旋转。它的运动量取决于向其发出的电脉冲数，因此适用于位置调整。在家庭中通常被用于“传真机和打印机的送纸”等。由于传真机的送纸步骤取决于规格（刻纹、细致度），因此随着电脉冲数旋转的步进电机非常便于使用。很容易解决信号一旦停止机器就会暂时停止的问题。旋转数随电源频率变化的同步电机被用于“微波炉的旋转桌”等用途上。电机组里有齿轮减速器，可以得到适合加热食品的旋转数。感应电机也受电源频率的影响，但频率和旋转数不一致。以前这类AC电机被用在风扇或洗衣机上。由此可见，各式各样的电机活跃于多个领域。其中，BLDC电机（无刷电机）具有怎样的特点才会用途如此之广呢？BLDC电机是如何旋转的？BLDC电机中的“BL”意为“无刷”，就是DC电机（有刷电机）中的“电刷”没有了。电刷在DC电机（有刷电机）里扮演的角色是通过换向器向转子里的线圈通电。那么没有电刷的BLDC电机是如何向转子里的线圈通电的呢？原来BLDC电动机电机采用永磁体来做转子，转子里是没有线圈的。由于转子里没有线圈，所以不需要用于通电的换向器和电刷。取而代之的是作为定子的线圈（图3）。DC电机（有刷电机）中被固定的永磁体所制造出的磁场是不会动的，通过控制线圈（转子）在其内部产生的磁场来旋转。要通过改变电压来改变旋转数。BLDC电机的转子是永磁体，通过改变周围的线圈所产生的磁场的方向使转子旋转。通过控制通向线圈的电流方向和大小来控制转子的旋转。

图3：BLDC电机的运转示意图。BLDC电机将永磁体作为转子。由于无需向转子通电，因此不需要电刷和换向器。从外部对通向线圈的电进行控制。BLDC电机的优点BLDC电机的定子上有三个线圈，每个线圈有两根电线，电机中共有六根引出线。实际上，由于是内部接线，通常只需要三根线，但还是比先前所说的DC电机（有刷电机）要多出一根。纯靠连接电池的正负极是不会动的。至于如何运行BLDC电机将在本系列的第二回中进行说明。此次我们要关注的是BLDC电机的优点。BLDC电机的第一个特点是“高效率”。可以控制它的回旋力（扭矩）始终保持最大值。DC电机(有刷电机)的话，旋转过程中最大扭矩只能保持一个瞬间，无法始终保持最大值。若DC电机（有刷电机）想要得到和BLDC电机一样大的扭矩，只能加大它的磁铁。这就是为什么小型BLDC电机也能发出强大力量的原因。第二个特点是“良好的控制性”，与第一个有所关联。BLDC电机可以丝毫不差的得到你所想要的扭矩、旋转数等。BLDC电机可以精确地反馈目标旋转数、扭矩等。通过精确的控制可以抑制电机的发热和电力的消耗。若是电池驱动，则能通过周密的控制，延长驱动时间。除此之外还有耐用，电气噪音小等特点。上述两点是无电刷所带来的优势。而DC电机（有刷电机）由于电刷和换向器之间的接触，长时间使用会有损耗。接触的部分还会产生火花。尤其是换向器的缝隙碰到电刷时会出现巨大的火花和噪音。若不希望使用过程中产生噪音，会考虑采用BLDC电机。BLDC电机适用于这些方面高效率、多样操控、寿命长的BLDC电机一般会用在哪些地方呢？往往被用于能够发挥其高效率、寿命长的特点，被连续使用的产品中。例如：家电。人们很早就开始使用洗衣机和空调了。最近电风扇中也开始采用BLDC电机，并成功促使消耗电力大幅度下降。正是因为效率高才让消耗电力下降的。吸尘机中也采用了BLDC电机。在某个事例中，通过变更控制系统，实现了旋转数的大幅度上升。这个事例体现了BLDC电机的良好控制性。作为重要存储介质的硬盘，其旋转部分也采用了BLDC电机。由于它是需要长时间运转的电机，因此耐用性很重要。当然，它还有极力抑制电力消耗的用途。这里的高效率也和电力的低消耗有关。BLDC电机的用途还有很多BLDC电机有望被应用在更广泛的领域中。BLDC电机将会在小型机器人，尤其是在制造以外的领域提供服务的“服务机器人”中得到广泛应用。“定位对于机器人很重要，不是应该使用随电脉冲数运行的步进电机吗？”或许会有人这么想。但是在力量控制方面，BLDC电机更合适。另外，若采用步进电机，像机器人手腕这样的构造要固定在某个位置需要提供相当大的电流。若是BLDC电机，则能配合外力只提供所需的电力，从而抑制电力的消耗。还可用于运输方面。一直以来，老年人电动车或高尔夫球车中大多采用简单的DC电机，但最近都开始采用具有良好控制性的高效率BLDC电机了。可以通过细微的控制，延长电池的持续时间。BLDC电机还适用于无人机中。尤其是多轴机架的无人机，由于它是通过改变螺旋桨的旋转数来控制飞行姿态的，因此能够精密控制旋转的BLDC电机很有优势。怎么样？BLDC电机是效率高、控制性良好、寿命长的优质电机。但是，要想将BLDC电机的力量发挥到极致，则需要正确的控制。该如何操作呢？仅靠连接无法转动内转子型BLDC电机是典型的BLDC电机的一种，其外观与内部构造如下所示（图1）。带刷DC电机（以下称为DC电机）的转子上有线圈，外侧放有永磁体。BLDC电机的转子上有永磁体，外侧是线圈。BLCD电机的转子没有线圈，是永磁体，因此没有必要在转子上通电。实现了不带通电用的电刷的“无刷型”。另一方面，与DC电机相比，控制也变得更难了。并不是只要将电机上的电缆接上电源就好了。本来就连电缆数目都不一样。和“将正极（+）和负极（-）连上电源”的方式不同。

图1：BLDC电机的外观及内部构造转子是永磁体，因此无法通电。无需电刷及换向器，可谋求延长使用寿命改变磁通量的方向为了转动BLDC电机，必须控制线圈的电流方向及时机。图2-A是将BLDC电机的定子（线圈）和转子（永磁体）模式化的结果。使用该图片，思考一下转子旋转的情况吧。思考使用3个线圈的情况。虽然实际上也有使用6个或以上的线圈的情况，但在考虑原理的基础上，每120度放一个线圈，使用3个线圈。电机将电气（电压、电流）转换为机械性旋转。图2-A的BLDC电机又是如何转动呢？先来看一看电机中发生了什么吧。

图2-A：BLDC电机转动原理BLDC电机中每隔120度放置一个线圈，总共放置三个线圈，控制通电相或线圈的电流如图2-A所示，BLDC电机使用3个线圈。这三个线圈用以在通电后生成磁通量，将其命名为U、V、W。将该线圈通电试试看吧。线圈U（以下简称为“线圈”）上的电流路径记为U相，V的记录为V相，W的记录为W相。接下来看一看U相吧。向U相通电后，将产生如图2-B所示的箭头方向的磁通量。但实际上，U、V、W的电缆都是互相连接着的，因此无法仅向U相通电。在这里，从U相向W相通电，会如图2-C所示在U、W产生磁通量。合成U和W的两个磁通量，变为图2-D所示的较大的磁通量。永磁体将进行旋转，以使该合成磁通量与中央的永磁体（转子）的N极方向相同。

图2-B：BLDC电机的转动原理从U相向W向通电。首先，只关注线圈U部分，则发现会产生如箭头般的磁通量

图2-C：BLDC电机的转动原理从U相向W相通电，则会产生方向不同的2个磁通量

图2-D：BLDC电机的转动原理从U相向W相通电，可以认为产生了两个磁通量合成的磁通量若改变合成磁通量的方向，则永磁体也会随之改变。配合永磁体的位置，切换U相、V相、W相中通电的相，以变更合成磁通量的方向。连续执行此操作，则合成磁通量将发生旋转，从而产生磁场，转子旋转。图3所示的是通电相与合成磁通量的关系。在该例中，按顺序从1-6变更通电模式，则合成磁通量将顺时针旋转。通过变更合成磁通量的方向，控制速度，可控制转子的旋转速度。将切换这6种通电模式，控制电机的控制方法称为“120度通电控制”。

图3：转子的永久磁石会像被合成磁通量牵引一样旋转，电机的轴也会因此旋转使用正弦波控制，进行流畅的转动接下来，尽管在120度通电控制下合成磁通量的方向会发生旋转，但其方向不过只有6种。比如将图3的“通电模式1”改为“通电模式2”，则合成磁通量的方向将变化60度。然后转子将像被吸引一样发生旋转。接下来，从“通电模式2”改为“通电模式3”，则合成磁通量的方向将再次变化60度。转子将再次被该变化所吸引。这一现象将反复出现。这一动作将变得生硬。有时这动作还会发出噪音。能消除120度通电控制的缺点，实现流畅的转动的正是“正弦波控制”。在120度通电控制中，合成磁通量被固定在了6个方向。进行控制，使其进行连续的变化。在图2-C的例子中，U和W生成的磁通量大小相同。但是，若能较好地控制U相、V相、W相，则可让线圈各自生成大小各异的磁通量，精密地控制合成磁通量的方向。调整U相、V相、W相各相的电流大小，与此同时生成了合成磁通量。通过控制这一磁通量连续生成，可使电机流畅地转动。

图4：正弦波控制正弦波控制可控制3相上的电流，生成合成磁通量，实现流畅的转动。可生成120度通电控制无法生成的方向上生成合成磁通量使用逆变器控制电机那么U、V、W各相上的电流又如何呢？为便于理解，回想120度通电控制的情况看看吧。请再次查看图3。在通电模式1时，电流从U流至W;在通电模式2时，电流从U流至V。可以看出，每当有电流流动的线圈的组合发生改变时，合成磁通量箭头的方向也会发生变化。接下来，请看通电模式4。在该模式下，电流从W流至U，与通电模式1的方向相反。在DC电机中，像这样的电流方向的转换是由换向器和刷子的组合来进行了。但是，BLDC电机不使用这样的接触型的方法。使用逆变器电路，更改电流的方向。在控制BLDC电机时，一般使用的是逆变器电路。另外逆变器电路可改变各相中的外加电压，调整电流值。电压的调整中，常用的是PWM（Pulse Width Modulation=脉冲宽度调制）。PWM是一种通过调整脉冲ON/OFF的时间长度改变电压的方法，重要的是ON时间和OFF时间的比率（占空比）变化。若ON的比率较高，可以得到和提高电压相同的效果。若ON的比率下降，则可以得到和电压降低相同的效果（图5）。为了实现PWM，现在还有配备了专用硬件的微电脑。进行正弦波控制时需控制3相的电压，因此比起只有2相通电的120度通电控制来说，软件要稍稍复杂一些。逆变器是对驱动BLDC电机必要的电路。交流电机中也使用了逆变器，但可以认为家电产品中所说的“逆变器式”几乎使用的是BLDC电机。

图5：PWM输出与输出电压的关系变更某时间内的ON时间，以变更电压的有效值。ON时间越长，有效值越接近施加100%电压时（ON时）的电压使用位置传感器的BLDC电机以上是BLDC电机的控制的概况。BLDC电机通过改变线圈生成的合成磁通量的方向，使转子的永磁体随之变化。实际上，在以上的说明中，还有一点没有提到。即BLDC电机中的传感器的存在。BLDC电机的控制是配合着转子（永磁体）的位置（角度）进行的。因此，获取转子位置的传感器是必需的。若没有传感器得知永磁体的方向时，转子可能会转至意料之外的方向。有传感器提供信息的话，就不会出现这样的情况了。表1中显示的是BLDC电机主要的位置检测用传感器的种类。根据控制方式的不同，需要的传感器也是不同的。在120度通电控制中，为判断要对哪个相通电，配备了可每60度输入一次信号的霍尔效应传感器。另一方面，对于精密控制合成磁通量的“矢量控制”（在下一项中说明）来说，转角传感器或光电编码器等高精度传感器较为有效。通过使用这些传感器可以检测出位置，但也会带来一些缺点。传感器防尘能力较弱，而且维护也是不可或缺的。可使用的温度范围也会缩小。使用传感器或为此增加配线都会造成成本的上升，而且高精度传感器本身就价格高昂。于是，“无传感器”这一方式登场了。它不使用位置检测用传感器，以此控制成本，且不需要传感器相关的维护。但此次为了说明原理，因此假定已从位置传感器获得了信息来吧。传感器种类主要用途特征霍尔效应传感器120度通电控制每60度获取一次信号。价格较低。不耐热。光电编码器正弦波控制、矢量控制有增量型（可得知原位置开始的移动距离）和绝对型（可得知当前位置的角度）两种。分辨率高，但防尘埃能力较弱。转角传感器正弦波控制、矢量控制分辨率高。即使在牢固的恶劣环境下也可使用。表1：位置检测专用传感器的种类及特征通过矢量控制时刻保持高效率正弦波控制为3相通电，流畅地改变合成磁通量的方向，因此转子将流畅地旋转。120度通电控制切换了U相、V相、W相中的2相，以此来使电机转动，而正弦波控制则需要精确地控制3相的电流。而且控制的值是时刻变化的交流值，因此，控制变得更为困难。在这里登场的便是矢量控制了。矢量控制可通过坐标变换，把3相的交流值作为2相的直流值进行计算，因此可简化控制。但是，矢量控制计算需要高分辨率下的转子的位置信息。位置检测有两种方法，即使用光电编码器或转角传感器等位置传感器的方法，以及根据各相的电流值进行推算的无传感器方法。通过该坐标变换可直接控制扭矩（旋转力）的相关电流值，从而实现没有多余电流的高效控制。但是，矢量控制中需要进行使用三角函数的坐标变换，或复杂的计算处理。因此，大多情况下都会使用计算能力较强的微电脑作为控制用微电脑，比如配备了FPU（浮点运算器）的微电脑等。#热门推荐#飞针测试6500字开关电源设计干货，先收藏再学习！详解PWM原理、频率与占空比PCB工程师的7个好习惯画好原理图的技巧看完从此远离EMC困扰！3D动画演示：单片机工作原理MOS管驱动电路有几种，看完就明白了UART波形详解👇关注我，学电子👇

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