干貨 | 無刷直流（BLDC）電機的原理及正確的使用方法

電子工程世界 2020-07-06 00:00

“傻瓜式”高密度電源設計 華潤微電子推出第五代高性能SGT MOS產品

最基本的電機是 “DC電機（有刷電機）”。在磁場中放置線圈，通過流動的電流，線圈會被一側的磁極排斥，同時被另一側磁極所吸引，在這種作用下不斷旋轉。在旋轉過程中令通向線圈中的電流反向流動，使其持續旋轉。電機中有個叫"換向器"的部分是靠"電刷"供電的，"電刷"的位置在"轉向器"上方，隨著旋轉不斷移動。通過改變電刷的位置，可使電流方向發生變化。換向器和電刷是DC電機的旋轉所不可或缺的結構（圖一）。

圖一：DC電機（有刷電機）的運轉示意圖。

換向器切換線圈中電流的流向，反轉磁極的方向，使其始終向右旋轉。電刷向與軸一同旋轉的換向器供電。

活躍于多個領域的電機

我們按電源種類和轉動原理對電機進行了分類（圖2）。讓我們來簡單看看各類電機的特點和用途吧。

圖2：電機的主要類型

構造簡單而又容易操控的DC電機（有刷電機）通常被用在家電產品的“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。

步進電機會隨著向其發出的電脈沖數旋轉。它的運動量取決于向其發出的電脈沖數，因此適用于位置調整。在家庭中通常被用于“傳真機和打印機的送紙”等。由于傳真機的送紙步驟取決于規格（刻紋、細致度），因此隨著電脈沖數旋轉的步進電機非常便于使用。很容易解決信號一旦停止機器就會暫時停止的問題。

旋轉數隨電源頻率變化的同步電機被用于“微波爐的旋轉桌”等用途上。電機組里有齒輪減速器，可以得到適合加熱食品的旋轉數。感應電機也受電源頻率的影響，但頻率和旋轉數不一致。以前這類AC電機被用在風扇或洗衣機上。

由此可見，各式各樣的電機活躍于多個領域。其中，BLDC電機（無刷電機）具有怎樣的特點才會用途如此之廣呢？

BLDC電機是如何旋轉的？

BLDC電機中的“BL”意為“無刷”，就是DC電機（有刷電機）中的“電刷”沒有了。電刷在DC電機（有刷電機）里扮演的角色是通過換向器向轉子里的線圈通電。那么沒有電刷的BLDC電機是如何向轉子里的線圈通電的呢？原來BLDC電動機電機采用永磁體來做轉子，轉子里是沒有線圈的。由于轉子里沒有線圈，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（有刷電機）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（轉子）在其內部產生的磁場來旋轉。要通過改變電壓來改變旋轉數。 BLDC電機的轉子是永磁體，通過改變周圍的線圈所產生的磁場的方向使轉子旋轉。通過控制通向線圈的電流方向和大小來控制轉子的旋轉。

圖3：BLDC電機的運轉示意圖。

BLDC電機將永磁體作為轉子。由于無需向轉子通電，因此不需要電刷和換向器。從外部對通向線圈的電進行控制。

BLDC電機的優點

BLDC電機的定子上有三個線圈，每個線圈有兩根電線，電機中共有六根引出線。實際上，由于是內部接線，通常只需要三根線，但還是比先前所說的DC電機（有刷電機）要多出一根。純靠連接電池的正負極是不會動的。至于如何運行BLDC電機將在本系列的第二回中進行說明。此次我們要關注的是BLDC電機的優點。

BLDC電機的第一個特點是“高效率”。可以控制它的回旋力（扭矩）始終保持最大值。DC電機(有刷電機)的話，旋轉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（有刷電機）想要得到和BLDC電機一樣大的扭矩，只能加大它的磁鐵。這就是為什么小型BLDC電機也能發出強大力量的原因。

第二個特點是“良好的控制性”，與第一個有所關聯。BLDC電機可以絲毫不差的得到你所想要的扭矩、旋轉數等。BLDC電機可以精確地反饋目標旋轉數、扭矩等。通過精確的控制可以抑制電機的發熱和電力的消耗。若是電池驅動，則能通過周密的控制，延長驅動時間。

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勢。而DC電機（有刷電機）由于電刷和換向器之間的接觸，長時間使用會有損耗。接觸的部分還會產生火花。尤其是換向器的縫隙碰到電刷時會出現巨大的火花和噪音。若不希望使用過程中產生噪音，會考慮采用BLDC電機。

BLDC電機適用于這些方面

高效率、多樣操控、壽命長的BLDC電機一般會用在哪些地方呢？往往被用于能夠發揮其高效率、壽命長的特點，被連續使用的產品中。例如：家電。人們很早就開始使用洗衣機和空調了。最近電風扇中也開始采用BLDC電機，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。

吸塵機中也采用了BLDC電機。在某個事例中，通過變更控制系統，實現了旋轉數的大幅度上升。這個事例體現了BLDC電機的良好控制性。

作為重要存儲介質的硬盤，其旋轉部分也采用了BLDC電機。由于它是需要長時間運轉的電機，因此耐用性很重要。當然，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。

BLDC電機的用途還有很多

BLDC電機有望被應用在更廣泛的領域中。BLDC電機將會在小型機器人，尤其是在制造以外的領域提供服務的“服務機器人”中得到廣泛應用。“定位對于機器人很重要，不是應該使用隨電脈沖數運行的步進電機嗎？”或許會有人這么想。但是在力量控制方面，BLDC電機更合適。另外，若采用步進電機，像機器人手腕這樣的構造要固定在某個位置需要提供相當大的電流。若是BLDC電機，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，但最近都開始采用具有良好控制性的高效率BLDC電機了。可以通過細微的控制，延長電池的持續時間。BLDC電機還適用于無人機中。尤其是多軸機架的無人機，由于它是通過改變螺旋槳的旋轉數來控制飛行姿態的，因此能夠精密控制旋轉的BLDC電機很有優勢。

怎么樣？BLDC電機是效率高、控制性良好、壽命長的優質電機。但是，要想將BLDC電機的力量發揮到極致，則需要正確的控制。該如何操作呢？

僅靠連接無法轉動

內轉子型BLDC電機是典型的BLDC電機的一種，其外觀與內部構造如下所示（圖1）。帶刷DC電機（以下稱為DC電機）的轉子上有線圈，外側放有永磁體。BLDC電機的轉子上有永磁體，外側是線圈。BLCD電機的轉子沒有線圈，是永磁體，因此沒有必要在轉子上通電。實現了不帶通電用的電刷的“無刷型”。

另一方面，與DC電機相比，控制也變得更難了。并不是只要將電機上的電纜接上電源就好了。本來就連電纜數目都不一樣。和“將正極（+）和負極（-）連上電源”的方式不同。

圖1：BLDC電機的外觀及內部構造

轉子是永磁體，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

為了轉動BLDC電機，必須控制線圈的電流方向及時機。圖2-A是將BLDC電機的定子（線圈）和轉子（永磁體）模式化的結果。使用該圖片，思考一下轉子旋轉的情況吧。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上，每120度放一個線圈，使用3個線圈。電機將電氣（電壓、電流）轉換為機械性旋轉。圖2-A的BLDC電機又是如何轉動呢？先來看一看電機中發生了什么吧。

圖2-A：BLDC電機轉動原理

BLDC電機中每隔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2-A所示，BLDC電機使用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產生磁通量。合成U和W的兩個磁通量，變為圖2-D所示的較大的磁通量。永磁體將進行旋轉，以使該合成磁通量與中央的永磁體（轉子）的N極方向相同。

圖2-B：BLDC電機的轉動原理

從U相向W向通電。首先，只關注線圈U部分，則發現會產生如箭頭般的磁通量

圖2-C：BLDC電機的轉動原理

從U相向W相通電，則會產生方向不同的2個磁通量

圖2-D：BLDC電機的轉動原理

從U相向W相通電，可以認為產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。連續執行此操作，則合成磁通量將發生旋轉，從而產生磁場，轉子旋轉。

圖3所示的是通電相與合成磁通量的關系。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。通過變更合成磁通量的方向，控制速度，可控制轉子的旋轉速度。將切換這6種通電模式，控制電機的控制方法稱為“120度通電控制”。

圖3：轉子的永久磁石會像被合成磁通量牽引一樣旋轉，電機的軸也會因此旋轉

使用正弦波控制，進行流暢的轉動

接下來，盡管在120度通電控制下合成磁通量的方向會發生旋轉，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將變化60度。然后轉子將像被吸引一樣發生旋轉。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將再次變化60度。轉子將再次被該變化所吸引。這一現象將反復出現。這一動作將變得生硬。有時這動作還會發出噪音。

能消除120度通電控制的缺點，實現流暢的轉動的正是“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。進行控制，使其進行連續的變化。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生成，可使電機流暢地轉動。

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，實現流暢的轉動。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

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。可以看出，每當有電流流動的線圈的組合發生改變時，合成磁通量箭頭的方向也會發生變化。

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電機中，像這樣的電流方向的轉換是由換向器和刷子的組合來進行了。但是，BLDC電機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，調整電流值。電壓的調整中，常用的是PWM（Pulse Width Modulation=脈沖寬度調制）。PWM是一種通過調整脈沖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（圖5）。

為了實現PWM，現在還有配備了專用硬件的微電腦。進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，軟件要稍稍復雜一些。逆變器是對驅動BLDC電機必要的電路。交流電機中也使用了逆變器，但可以認為家電產品中所說的“逆變器式”幾乎使用的是BLDC電機。

圖5：PWM輸出與輸出電壓的關系

變更某時間內的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

以上是BLDC電機的控制的概況。BLDC電機通過改變線圈生成的合成磁通量的方向，使轉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電機中的傳感器的存在。BLDC電機的控制是配合著轉子（永磁體）的位置（角度）進行的。因此，獲取轉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，轉子可能會轉至意料之外的方向。有傳感器提供信息的話，就不會出現這樣的情況了。

表1中顯示的是BLDC電機主要的位置檢測用傳感器的種類。根據控制方式的不同，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，而且維護也是不可或缺的。可使用的溫度范圍也會縮小。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的維護。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。

傳感器種類	主要用途	特征
霍爾效應傳感器	120度通電控制	每60度獲取一次信號。價格較低。不耐熱。
光電編碼器	正弦波控制、矢量控制	有增量型（可得知原位置開始的移動距離）和絕對型（可得知當前位置的角度）兩種。分辨率高，但防塵埃能力較弱。
轉角傳感器	正弦波控制、矢量控制	分辨率高。即使在牢固的惡劣環境下也可使用。

表1：位置檢測專用傳感器的種類及特征

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，因此轉子將流暢地旋轉。120度通電控制切換了U相、V相、W相中的2相，以此來使電機轉動，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變換，把3相的交流值作為2相的直流值進行計算，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角傳感器等位置傳感器的方法，以及根據各相的電流值進行推算的無傳感器方法。通過該坐標變換可直接控制扭矩（旋轉力）的相關電流值，從而實現沒有多余電流的高效控制。

但是，矢量控制中需要進行使用三角函數的坐標變換，或復雜的計算處理。因此，大多情況下都會使用計算能力較強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。