无刷直流（BLDC）电机的原理和控制方法

一路上

前言

BLDC电机中的“BL”即“Brushless”，译为无刷。无刷直流电机(BLDC)以电子换向器取代了机械换向器，克服了有刷直流电机的先天性缺陷，所以无刷直流电机既具有直流电机良好的调速性能等特点，又具有交流电机结构简单、无换向火花、运行可靠和易于维护等优点。

无刷直流电机的实质是直流电源输入，采用电子逆变器将直流电转换为交流电，有转子位置反馈的三相交流永磁同步电机。性能上相较一般的传统直流电机有很大优势，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图所示。

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，实现了不带通电用的电刷的“无刷型”，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。（有刷、无刷电机原理）

BLDC电机转动原理

为了转动BLDC电机，必须控制线圈的电流方向及时机。下图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B：BLDC电机的转动原理

从U相向W向通电，先关注线圈U部分，则发现会产生如箭头般的磁通量。

图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E 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E：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E 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，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F：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。

逆变器控制电机（三相调制逆变器电路的基本控制）

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E，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F；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。

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J 。

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J：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。

结语

BLDC电机的控制是配合着转子（永磁体）的位置（角度）进行的，获取转子位置的传感器是必需的（旋转编码器的原理和应用）。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

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。