無刷直流（BLDC）電機(jī)的原理及正確的使用方法

當(dāng)工程師想利用電氣、電子的機(jī)器在現(xiàn)實(shí)世界中做些什么時(shí)，他們會(huì)思考怎樣才能將電信號變?yōu)椤傲Α?？將電信號轉(zhuǎn)換為力的就是傳動(dòng)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(dòng)的電流，線圈會(huì)被一側(cè)的磁極排斥，同時(shí)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(dòng)，使其持續(xù)旋轉(zhuǎn)。電機(jī)中有個(gè)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(dòng)。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)，DC電機(jī)（有刷電機(jī)）的運(yùn)轉(zhuǎn)示意圖如下圖所示。

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(gè)領(lǐng)域的電機(jī)

我們按電源種類和轉(zhuǎn)動(dòng)原理對電機(jī)進(jìn)行了分類如下圖。讓我們來簡單看看各類電機(jī)的特點(diǎn)和用途吧。

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?dòng)后視鏡的開閉、方向控制”等用途上。雖然它既廉價(jià)又能用在多個(gè)領(lǐng)域上，但它也有缺陷。由于換向器會(huì)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(huì)隨著向其發(fā)出的電脈沖數(shù)旋轉(zhuǎn)。它的運(yùn)動(dòng)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(huì)暫時(shí)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(gè)領(lǐng)域。其中，BLDC電機(jī)（無刷電機(jī)）具有怎樣的特點(diǎn)才會(huì)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(dòng)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。BLDC電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)示意圖，如下圖。

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(huì)動(dòng)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)。

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(diǎn)

BLDC電機(jī)的定子上有三個(gè)線圈，每個(gè)線圈有兩根電線，電機(jī)中共有六根引出線。實(shí)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(huì)動(dòng)的。至于如何運(yùn)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(diǎn)。

BLDC電機(jī)的第一個(gè)特點(diǎn)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(gè)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(gè)特點(diǎn)是“良好的控制性”，與第一個(gè)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(dòng)，則能通過周密的控制，延長驅(qū)動(dòng)時(shí)間。

除此之外還有耐用，電氣噪音小等特點(diǎn)。上述兩點(diǎn)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(shí)間使用會(huì)有損耗。接觸的部分還會(huì)產(chǎn)生火花。尤其是換向器的縫隙碰到電刷時(shí)會(huì)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(huì)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(huì)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(diǎn)，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?yàn)樾矢卟抛屜碾娏ο陆档摹?/p>

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

作為重要存儲(chǔ)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(shí)間運(yùn)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(huì)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(yùn)行的步進(jìn)電機(jī)嗎？”或許會(huì)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(gè)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(yùn)輸方面。一直以來，老年人電動(dòng)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(shí)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(dòng)

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)造如下圖所示。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(shí)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。

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(dòng)BLDC電機(jī)，必須控制線圈的電流方向及時(shí)機(jī)。下圖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(gè)線圈的情況。雖然實(shí)際上也有使用6個(gè)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(gè)線圈，使用3個(gè)線圈。電機(jī)將電氣（電壓、電流）轉(zhuǎn)換為機(jī)械性旋轉(zhuǎn)。xia'tBLDC電機(jī)又是如何轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)原理

BLDC電機(jī)中每隔120度放置一個(gè)線圈，總共放置三個(gè)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(gè)線圈。這三個(gè)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(shí)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(huì)如圖2-C所示在U、W產(chǎn)生磁通量。合成U和W的兩個(gè)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(dòng)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(huì)產(chǎn)生如箭頭般的磁通量。

圖2-C：BLDC電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理

從U相向W相通電，則會(huì)產(chǎn)生方向不同的2個(gè)磁通量。

圖2-D：BLDC電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理

從U相向W相通電，可以認(rèn)為產(chǎn)生了兩個(gè)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(huì)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)。

下圖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(shí)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(huì)像被合成磁通量牽引一樣旋轉(zhuǎn)，電機(jī)的軸也會(huì)因此旋轉(zhuǎn)

使用正弦波控制，進(jìn)行流暢的轉(zhuǎn)動(dòng)

接下來，盡管在120度通電控制下合成磁通量的方向會(huì)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(dòng)作將變得生硬。有時(shí)這動(dòng)作還會(huì)發(fā)出噪音。

能消除120度通電控制的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)流暢的轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)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(shí)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(dòng)。

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(shí)現(xiàn)流暢的轉(zhuǎn)動(dòng)?？缮?20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?jiān)俅尾榭磮D3。在通電模式1時(shí)，電流從U流至W;在通電模式2時(shí)，電流從U流至V?？梢钥闯觯慨?dāng)有電流流動(dòng)的線圈的組合發(fā)生改變時(shí)，合成磁通量箭頭的方向也會(huì)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(shí)，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(shí)間長度改變電壓的方法，重要的是ON時(shí)間和OFF時(shí)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(shí)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(shí)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(dòng)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(shí)間內(nèi)的ON時(shí)間，以變更電壓的有效值。ON時(shí)間越長，有效值越接近施加100%電壓時(shí)（ON時(shí)）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(shí)際上，在以上的說明中，還有一點(diǎn)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(shí)，轉(zhuǎn)子可能會(huì)轉(zhuǎn)至意料之外的方向。有傳感器提供信息的話，就不會(huì)出現(xiàn)這樣的情況了。

下表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(gè)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(xiàng)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(huì)帶來一些缺點(diǎn)。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(huì)縮小。使用傳感器或?yàn)榇嗽黾优渚€都會(huì)造成成本的上升，而且高精度傳感器本身就價(jià)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。

表1：位置檢測專用傳感器的種類及特征

通過矢量控制時(shí)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(dòng)，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(shí)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(jì)算，因此可簡化控制。但是，矢量控制計(jì)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(shí)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(jì)算處理。因此，大多情況下都會(huì)使用計(jì)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(diǎn)運(yùn)算器）的微電腦等。

　　審核編輯：湯梓紅