關(guān)于PWM 輸出與輸出電壓的關(guān)系

當(dāng)工程師想利用電氣、電子的機(jī)器在現(xiàn)實世界中做些什么時，他們會思考怎樣才能將電信號變?yōu)椤傲Α保繉㈦娦盘栟D(zhuǎn)換為力的就是傳動器，即電機(jī)?？梢詫㈦姍C(jī)視作“將電氣轉(zhuǎn)換為機(jī)械的力的元件”。

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 1：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。或用在汽車的“電動后視鏡的開閉、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”。可以控制它的回旋力（扭矩）始終保持最大值。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?？梢酝ㄟ^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。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 4：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 5-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 5-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 5-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D 2-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。

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

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。

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”。

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?60 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?60 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。

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?？梢钥闯?，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（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。

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)。

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?？墒褂玫臏囟确秶矔s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。

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。
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