（本文編譯自Electronic Design）
無刷直流電機也被簡稱為無刷電機或BLDC電機，它憑借高可靠性與高性能的運動控制表現(xiàn)得到廣泛應用。這類電機摒棄了易產(chǎn)生顆粒且存在磨損問題的機械電刷，轉(zhuǎn)而采用電子換向方式。無刷直流電機的優(yōu)勢體現(xiàn)在高扭矩輸出、高轉(zhuǎn)速以及無電刷運行的特性上，但其主要缺點是，相比有刷直流電機或步進電機，成本更高。
無刷直流電機主要分為兩大類：旋轉(zhuǎn)式無刷直流電機和直線式無刷直流電機。其中旋轉(zhuǎn)式無刷直流電機的細分類型更多，可根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分為內(nèi)轉(zhuǎn)子式和外轉(zhuǎn)子式，也可按磁通形式分為軸向磁通型和徑向磁通型；內(nèi)轉(zhuǎn)子式無刷直流電機又可進一步分為內(nèi)置永磁體式（IPM）和表面貼磁式。此外，依據(jù)鐵芯結(jié)構(gòu)的不同，無刷直流電機還可分為有槽式和無槽式。
上述多數(shù)結(jié)構(gòu)變體對電機的控制方法影響較小，但會對扭矩重量比、運行平穩(wěn)性、最大加速度和最高轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵性能指標產(chǎn)生顯著影響。
在各類定位電機中，三相無刷電機的定位如何？圖1通過兩幅曲線圖，對比了不同類型電機在功率重量比和扭矩重量比兩項核心性能指標上的表現(xiàn)。針對特定應用場景，這兩項指標通常有一項更為關(guān)鍵，而二者實際存在關(guān)聯(lián)，因為功率的定義為扭矩與轉(zhuǎn)速的乘積。
圖1：對比了有刷直流電機、步進電機和無刷直流電機的扭矩重量比與功率重量比。
無刷直流電機的磁路特性至關(guān)重要
弄清電機內(nèi)部的工作原理以及無刷電機的扭矩產(chǎn)生機制，是理解各類無刷直流電機控制技術(shù)工作原理的基礎(chǔ)。圖2為沿電機旋轉(zhuǎn)軸俯視所得，并投影至XY平面的無刷電機轉(zhuǎn)子與定子磁場分布。
圖2：三相無刷直流電機的轉(zhuǎn)子與定子磁矢量。
扭矩由轉(zhuǎn)子永磁體和定子繞組產(chǎn)生的磁場相互作用生成。每個定子繞組（圖2中記為A、B、C繞組）都會產(chǎn)生各自的磁矢量，各矢量之間的夾角為120°，這些獨立矢量被稱為繞組電流空間矢量。
由于所有定子繞組共用一個鐵芯，定子磁場的合方向可視為由三個獨立繞組矢量疊加而成的單個矢量，該疊加后的矢量被稱為定子電流空間矢量。
在圖2中，中間的綠色磁體為轉(zhuǎn)子，可將其視作一個簡單的條形磁體，擁有南極和北極。根據(jù)定子各繞組的驅(qū)動方式不同，繞組產(chǎn)生的作用力既可以與轉(zhuǎn)子磁場方向垂直，也可以與轉(zhuǎn)子磁場方向平行，這兩種不同的作用力分別被稱為交軸（Q）力和直軸（D）力。
定子三相繞組產(chǎn)生的磁場如何合成為單個定子電流空間矢量？答案是，定子合矢量的方向和幅值等于各繞組電流空間矢量的矢量和（見圖3）。Ia、Ib、Ic分別為A繞組通電流Ia、B繞組通電流Ib、C繞組通電流Ic時產(chǎn)生的磁場。
圖3：A、B、C三相繞組矢量疊加形成定子電流空間矢量。
這三個互成120°夾角的磁矢量，因各繞組通流不同，幅值也各不相同。在上述示例中，A繞組通流3.4安，B繞組通流1.0安，C 繞組通流4.4安。這些矢量繪制于XY平面，將各矢量首尾相連即可得到合矢量，即圖3中可見的綠色定子合磁矢量。
當轉(zhuǎn)子磁場與定子磁場的夾角呈90°（垂直）時，交軸力（產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的力）達到最大值，直軸力（不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的力）為零；反之，當轉(zhuǎn)子磁場與定子合磁場平行時，交軸力為零，直軸力達到最大值。只有垂直方向的交軸力能產(chǎn)生有效的旋轉(zhuǎn)扭矩，平行方向的直軸力僅會對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生擠壓作用，無法生成旋轉(zhuǎn)扭矩。
為輸出最大扭矩，控制器會調(diào)節(jié)定子矢量的角度，使其始終與轉(zhuǎn)子磁矢量保持垂直，這一過程被稱為換相?？刂破魍ㄟ^接收電機的轉(zhuǎn)子位置傳感器信號實現(xiàn)該操作，從而在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中實時調(diào)整定子磁場角度。
無刷直流電機中電機極數(shù)的重要性
電機極數(shù)是無刷直流電機結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵要素。無刷電機的繞組設(shè)計可實現(xiàn)：電機機械旋轉(zhuǎn)360°對應定子電角度旋轉(zhuǎn)360°，或?qū)娊嵌刃D(zhuǎn)兩個360°，亦或?qū)娊嵌刃D(zhuǎn)多個360°。需注意，此處的電角度旋轉(zhuǎn)360°，指的是定子磁場角度完成360°旋轉(zhuǎn)。
定子電角度旋轉(zhuǎn)360°對應電機機械旋轉(zhuǎn)360°的電機為兩極電機（磁場經(jīng)過一個北極和一個南極），兩極電機也可稱為一對極電機；定子電角度旋轉(zhuǎn)兩個360°對應電機機械旋轉(zhuǎn)360°的電機為四極電機。無刷直流電機的極數(shù)可為2、4、6、12或其他偶數(shù)，極對數(shù)均為極數(shù)的一半。
無刷直流電機不同極數(shù)各有何優(yōu)劣？總體而言，極數(shù)越多，無刷直流電機的扭矩輸出越高，但最高轉(zhuǎn)速越低。電機的扭矩和轉(zhuǎn)速還受諸多設(shè)計因素影響，在其他條件相同的情況下，極數(shù)差異帶來的主要功能影響即為此。
旋轉(zhuǎn)式與直線式無刷直流電機的區(qū)別
旋轉(zhuǎn)式電機的所有原理同樣適用于直線式無刷電機。
直線式無刷直流電機的結(jié)構(gòu)是怎樣的？圖4展示了直線式電機與旋轉(zhuǎn)式電機的對比。直線式無刷直流電機本質(zhì)上是被展開的旋轉(zhuǎn)式無刷直流電機，二者均配備定子——容納線圈的部件，也均配備轉(zhuǎn)子——搭載永磁體的部件。
圖4：旋轉(zhuǎn)式電機與直線式無刷直流電機的結(jié)構(gòu)布局對比。
需注意，“轉(zhuǎn)子”這一術(shù)語用于直線電機易造成混淆，因其并無旋轉(zhuǎn)動作。盡管如此，我們?nèi)匝赜迷撔g(shù)語，原因是目前尚無其他被廣泛認可的標準術(shù)語來指代直線電機的這一部件。
從定子角度調(diào)節(jié)來看，直線電機的控制方式與旋轉(zhuǎn)式無刷電機相近。直線電機同樣通過換相方式驅(qū)動定子繞組，調(diào)節(jié)矢量角度，以實現(xiàn)有效交軸力的最大化和無效直軸力的最小化。
直線式無刷直流電機的定子與轉(zhuǎn)子可采用兩種不同的配置形式：一種是定子（帶線圈的部件）固定、轉(zhuǎn)子（帶磁體的部件）移動；另一種則為定子移動、轉(zhuǎn)子固定的反向配置（見圖5、圖6）。
圖5：直線式無刷直流電機采用定子固定、動子沿導軌運動的結(jié)構(gòu)形式。
圖6：直線式無刷直流電機采用定子移動、磁軌固定的結(jié)構(gòu)形式。
直線式無刷直流電機的“軌道式”布局衍生出一種桿式結(jié)構(gòu)方案：該桿體嵌有南北極交替排列的磁體，因此充當轉(zhuǎn)子部件。此類結(jié)構(gòu)同樣有兩種配置方式，既可采用轉(zhuǎn)子（桿體）移動、定子固定的形式，更常見的則是轉(zhuǎn)子固定、定子沿桿體移動的形式（見圖7）。
圖7：桿式直線無刷直流電機采用磁極交替排布的結(jié)構(gòu)。
無論采用何種布局形式，直線無刷電機都是對可靠性和響應速度有高要求應用場景中的常用選擇。盡管其成本遠高于通過滾珠絲杠、小齒輪等機構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動的執(zhí)行器，卻能實現(xiàn)更高的定位精度，這是因為將旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變直線的傳動機構(gòu)不可避免地會產(chǎn)生齒隙和柔性形變，從而降低最終的定位精度。
推動直線無刷直流電機普及的一個重要因素，是高分辨率編碼器的性價比不斷提升。正余弦編碼器、BiSS-C串行編碼器數(shù)據(jù)接口等新型編碼器已實現(xiàn)商用，與先進的信號處理電路配合后，直線運動平臺和XY運動平臺可實現(xiàn)納米級甚至皮米級的超高定位分辨率。
無刷直流電機控制器的核心組成
無刷直流電機屬于“多相”器件，即需為電機定子中的多個線圈通電，才能驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)。圖8展示了三相無刷電機控制器的控制架構(gòu)。
圖8：無刷直流電機系統(tǒng)的軌跡生成、換相、電流控制及功率放大環(huán)節(jié)。
多數(shù)無刷直流電機控制器均包含數(shù)個核心組成模塊。其一為運動輪廓生成模塊，該模塊的運動輪廓既可由控制器內(nèi)部生成，也可通過網(wǎng)絡(luò)連接從外部導入。運動輪廓的選擇需結(jié)合具體應用場景，卻是控制器整體運行的重要環(huán)節(jié)，合理的運動輪廓可實現(xiàn)系統(tǒng)吞吐量最大化，同時降低被控機構(gòu)的振動幅度。
在位置控制應用中，位置控制環(huán)會生成電流指令，以最小化電機期望（指令）位置與實際（檢測）位置的偏差。部分應用場景僅需速度控制而非位置控制，此類情況下控制器會采用速度伺服環(huán)替代位置控制環(huán)。
無論采用何種控制環(huán)，其輸出均為期望電流指令，該指令可對應電機需輸出的期望扭矩大小。
隨后對該電流指令執(zhí)行換相操作，即將總期望電流分配為三路獨立指令，分別對應電機的三相繞組。換相方案的種類繁多，具體選擇取決于所使用的位置傳感器，以及對電機效率和運行平穩(wěn)性的設(shè)計要求。接下來，電流控制環(huán)會檢測各相繞組的實際通流，并對施加的電壓進行調(diào)節(jié)，使實際電流與指令電流高度匹配。
最后由功率放大器將電壓指令施加至各相繞組。目前，絕大多數(shù)功率放大器均采用基于脈寬調(diào)制（PWM）的開關(guān)橋設(shè)計，這類設(shè)計兼具高效率與易控性的優(yōu)勢；但在對電磁干擾（EMI）有超低要求的電子系統(tǒng)中，仍會選用線性放大器。
無刷直流電機控制器的架構(gòu)存在諸多衍生變體。例如，部分控制器未對電機繞組采用有源電流控制；在非定位類應用中，部分控制器則完全省去了位置傳感器，該技術(shù)被稱為無傳感器控制。
結(jié)語
綜上，無刷直流電機的控制核心建立在對其磁路交互、矢量合成與換相原理的深度理解之上，從旋轉(zhuǎn)式到直線式的結(jié)構(gòu)演變，也始終圍繞最大化交軸有效扭矩、優(yōu)化電機性能這一核心邏輯。無論是旋轉(zhuǎn)式電機的高速高扭矩應用，還是直線式電機的超高定位精度需求，唯有將電機本體特性與控制技術(shù)精準匹配，才能充分發(fā)揮無刷直流電機的技術(shù)優(yōu)勢。
END
