电气器件系列三十一：无刷电机

转移：无刷直流（BLDC）电机的原理和正确的使用方法

当工程师想在现实世界中使用电气和电子机器时，他们会考虑如何将电信号转换为力？传动器，即电机，将电信号转换为力。电机可视为将电气转换为机械力的元件。

最基本的电机是“DC电机(有刷电机)。将线圈放置在磁场中，通过流动电流，线圈将被一侧的磁极排斥，并被另一侧的磁极吸引，并在此作用下不断旋转。使通向线圈的电流在旋转过程中反向流动，使其连续旋转。电机里有个叫"换向器"的部分是靠"电刷"供电的，"电刷"的位置在"转向器"上面，随着旋转不断移动。电流方向可以通过改变电刷的位置来改变。换向器和刷子是DC电机旋转不可缺少的结构，DC电机(刷电机)的运行示意图如下图所示。

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。刷子向轴旋转的换向器供电。

活跃在多个领域的电机

我们根据电源类型和旋转原理对电机进行了分类，如下图所示。让我们简要看看各种电机的特点和用途。

结构简单易操控。DC电机（刷电机）通常用于家用电器产品的光盘托盘开关。或用于汽车的电动后视镜开关、方向控制等用途。虽然它既便宜又可以在许多领域使用，但它也有缺陷。由于换向器与刷接触，其使用寿命很短，必须定期更换刷或保修。

步进电机随其电脉冲数旋转。其运动量取决于向其发出的电脉冲数，因此适用于位置调整。传真机和打印机送纸通常用于家庭。由于传真机的送纸步骤取决于规格（雕刻、细节），因此随电脉冲数旋转的步进电机非常容易使用。一旦信号停止，机器将暂时停止，就很容易解决问题。

旋转数随电源频率变化的同步电机用于微波炉旋转桌。电机组中有齿轮减速器，可获得适合加热食品的旋转数。感应电机也受到电源频率的影响，但频率与旋转数不一致。以前是这样的AC在风扇或洗衣机上使用电机。

由此可见，各种电机活跃在多个领域。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意思是无刷DC电机(刷电机)中的刷消失了。电刷在DC电机(刷电机)的作用是通过换向器向转子中的线圈通电。所以没有电刷BLDC电机是如何向转子中的线圈通电的？原来BLDC电机用永磁体做转子，转子里没有线圈。因为转子里没有线圈，不需要换向器和电刷通电。取而代之的是定子线圈。BLDC如下图所示。

DC固定在电机（刷电机）中的永磁体产生的磁场不会移动，并通过控制线圈（转子）内部产生的磁场进行旋转。旋转数应通过改变电压来改变。BLDC电机的转子是通过改变周围线圈产生的磁场方向来旋转的永磁体。通过控制通向线圈的电流方向和尺寸来控制转子的旋转。

BLDC电机将永磁体作为转子。因为不需要通电到转子，所以不需要刷子和换向器。从外部控制通向线圈的电。

BLDC电机的优点

BLDC电机定子上有三个线圈，每个线圈有两根电线，电机有六条导线。其实因为是内部接线，一般只需要三根线，但还是比以前说的好。DC多一个电机(有刷电机)。纯连接电池的正负极不会移动。至于如何运行BLDC电机将在本系列的第二回中进行说明。这次我们要注意的是BLDC电机的优点。

BLDC电机的第一个特点是高效。它的旋转力(扭矩)可以控制，始终保持最大值。DC如果电机(有刷电机)，旋转过程中的最大扭矩只能保持一瞬间，不能始终保持最大值。若DC想要和谐的电机(有刷电机)BLDC电机的大扭矩只能增加其磁铁。这就是为什么小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，与第一个有关。BLDC电机可以得到你想要的扭矩、旋转等。BLDC电机可以准确反馈目标旋转数、扭矩等。通过精确控制，可以抑制电机的加热和功耗。如果电池驱动，驱动时间可以通过精心控制延长。

此外，它还具有耐久性、低电噪声等特点。以上两点是无刷的优点。而DC由于电刷与换向器之间的接触，电机(有刷电机)长期使用会损失。接触部分也会产生火花。特别是当换向器的间隙遇到电刷时，会有巨大的火花和噪音。如果不想在使用过程中产生噪音，会考虑使用BLDC电机。

BLDC电机适用于这些方面

效率高，操控多样，寿命长BLDC电机通常用在哪里？它通常用于连续使用的产品，具有高效、长寿命的特点。例如：家电。人们很早就开始使用洗衣机和空调。最近，电风扇也开始使用BLDC电机成功降低了功耗。正是因为效率高才让消耗电力下降的。

也用于吸尘器BLDC电机。在某种情况下，通过改变控制系统，旋转数显著增加。这个例子反映了BLDC良好的电机控制。

硬盘作为一种重要的存储介质，其旋转部分也被使用BLDC电机。耐久性非常重要，因为它是一个需要长时间运行的电机。当然，它也有抑制功耗的目的。这里的高效率也与低功耗有关。

BLDC电机有很多用途

BLDC电机有望应用于更广泛的领域。BLDC电机将广泛应用于小型机器人，特别是在制造业以外提供服务的服务机器人中。定位对机器人来说非常重要。不应使用随电脉冲数运行的步进电机吗？也许有人会这么想。但在力量控制方面，BLDC电机更合适。此外，如果使用步进电机，需要提供相当大的电流，如机器人手腕。若是BLDC电机只能与外力配合提供所需的电力，从而抑制电力消耗。

也可用于运输。长期以来，大多数老年电动汽车或高尔夫球车都使用简单的电动汽车DC但最近开始采用控制性好、效率高的电机BLDC电机了。可以通过细微的控制，延长电池的持续时间。BLDC电机也适用于无人机。特别是多轴机架的无人机可以精确控制旋转，因为它通过改变螺旋桨的旋转数来控制飞行姿态BLDC电机很有优势。

怎么样？BLDC电机是一种高效、控制性好、使用寿命长的优质电机。然而，如果你想这样做BLDC当电机的力量发挥到极致时，需要正确的控制。怎么操作？

单靠连接无法转动

内转子型BLDC典型的电机BLDC一种电机，其外观和内部结构如下图所示。带刷DC电机(以下简称DC电机)转子上有线圈，外面有永磁体。BLDC电机转子上有永磁体，外面有线圈。BLCD电机转子没有线圈，是永磁体，所以转子上没有必要通电。实现了无通电刷的无刷型。

另一方面，和DC与电机相比，控制变得更加困难。不仅仅是把电机上的电缆连接到电源上。连电缆的数量都不一样。（ ）与负极(-)连接电源的方式不同。

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电机必须及时控制线圈的电流方向。下图2-A是将BLDC电机定子(线圈)和转子(永磁体)模式化的结果。用这张图，想想转子旋转。考虑使用三个线圈。虽然实际上使用了6个或更多的线圈，但在考虑原理的基础上，每120度放置一个线圈和3个线圈。电机将电气(电压、电流)转换为机械旋转。xia'tBLDC电机转动电机？让我们看看电机里发生了什么。

图2-A：BLDC电机旋转原理

BLDC电机每120度放置一个线圈，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电机使用三个线圈。这三个线圈用于通电后产生磁通量，并将其命名为U、V、W。试试这个线圈。线圈U(以下简称线圈)上的电流路径记为U相，VV相记录，WW相记录。让我们来看看U相。向U相通电后，将产生如图2所示-B所示箭头方向的磁通量。

但实际上，U、V、W所有的电缆都是相互连接的，所以不能只通电到U。在这里，从U相向W通电，如图2所示-C所示在U、W产生磁通量。合成U和W图2-D磁通量大。永磁体旋转，使合成磁通量与中央永磁体(转子)的N极方向相同。

图2-B：BLDC电机的旋转原理

从U相向W通电。首先，只关注线圈U，发现会产生箭头般的磁通量。

图2-C：BLDC电机的旋转原理

从U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。

    下图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。

    下表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。

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。