最基本的電機是“DC電機(有刷電機)”。將線圈置于磁場中，通過流動的電流，線圈會受到一邊磁極的排斥，同時受到另一邊磁極的吸引，并在此作用下不斷旋轉。在旋轉的過程中，流入線圈的電流反方向流動，使其不斷旋轉。電機中有一個叫做“換向器”的部件，由“電刷”供電。“刷子”的位置在“轉向器”的上方，它隨著轉動而不斷移動。通過改變畫筆的位置，可以改變當前的方向。和換向器電刷是DC電機旋轉不可缺少的結構(圖1)。

圖一：DC電機（有刷電機）的運轉示意圖。

切換換向器線圈中的電流方向，反轉磁極方向，使其始終向右旋轉。電刷向隨軸旋轉的換向器提供動力。

活躍于多個領域的電機

我們根據電源類型和旋轉原理對電機進行了分類(圖2)。我們先簡單看一下各種電機的特點和用途。

圖2：電機的主要類型

DC電機(有刷電機)結構簡單，操作方便，通常用于家用電器的“光盤托盤的開合”等用途。或用于汽車的“電動后視鏡開閉、方向控制”等用途。雖然它價格便宜，可用于許多領域，但它也有一些缺陷。由于換向器會與電刷接觸，壽命很短，所以需要定期更換電刷或保修。

步進電機將根據發送給它的電脈沖的數量旋轉。它的運動量取決于發送給它的電脈沖的數量，因此它適合于位置調節。一般在家里用于“傳真機、打印機的進紙”等等。因為傳真機的送紙步數取決于規格(雕刻和細度)，所以隨電脈沖數旋轉的步進電機使用起來非常方便。一旦信號停止，機器就會暫時停止，這個問題很容易解決。

同步電動機的轉數隨電源頻率而變化，用于“微波爐轉臺”和其他應用。電機組里有齒輪減速器，可以得到適合加熱食物的轉數。感應電機也受電源頻率的影響，但頻率與轉數不一致。過去，這種交流電機用于風扇或洗衣機。

可見各種電機在很多領域都很活躍。其中，BLDC電機(無刷電機)有什么特點才能得到如此廣泛的應用？

BLDC電機是如何旋轉的？

“BL”在BLDC電機里是“無刷”的意思，也就是DC電機(有刷電機)里的電刷沒了。有刷DC電機(有刷電機)的作用是通過換向器給轉子中的線圈通電。那么BLDC無刷電機是如何給轉子中的線圈通電的呢？原來，BLDC電機使用永磁體作為轉子，轉子中沒有線圈。由于轉子中沒有線圈，所以不需要換向器和電刷來通電。相反，它是一個線圈作為定子(圖3)。

DC中固定永磁體(有刷電機)產生的磁場不會移動，但會被控制線圈(轉子)產生的磁場帶動旋轉。通過改變電壓來改變轉數。BLDC電機的轉子是永久磁鐵，通過改變周圍線圈產生的磁場方向來旋轉。通過控制流向線圈的電流的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電機使用永磁體作為轉子。由于不需要給轉子通電，所以不需要電刷和換向器。線圈的電力由外部控制。

BLDC電機的優點

BLDC電機的定子上有三個線圈，每個線圈有兩根導線，電機中有六根導線。實際上，因為是內部接線，通常只需要三根線，但還是比前面提到的DC電機(有刷電機)多了一根線。簡單接一下電池的正負極就不會動了。如何運行BLDC汽車將在本系列的第二部分解釋。這一次，我們應該把重點放在BLDC汽車的優勢上。

BLDC電機的第一個特點是“高效率”。它可以控制其回轉力(扭矩)始終保持最大值。對于DC電機(有刷電機)來說，最大轉矩在旋轉過程中只能保持片刻，而不能一直保持最大值。DC電機(有刷電機)要想獲得和BLDC電機一樣的扭矩，只能加大磁鐵。這就是為什么小型BLDC汽車也能發出強大的力量。

第二個特點是“好控制”，和第一個有關。BLDC電機可以得到你想要的扭矩，轉數等等。BLDC電機能準確反饋目標轉數、扭矩等。可以通過精確控制來抑制電機的發熱和功耗。如果使用電池驅動，通過小心控制可以延長驅動時間。

此外，它還具有耐用和低電氣噪音的特點。以上兩點是無刷的優勢。但DC電機(有刷電機)由于電刷與換向器接觸，長期使用后會磨損。接觸部分也會產生火花。特別是換向器的縫隙碰到電刷時，會產生巨大的火花和噪音。如果你不想在使用過程中發出噪音，你會考慮使用BLDC電機。

BLDC電機適用于這些方面

效率高、控制多樣、壽命長的BLDC電機一般用在哪里？常用于能充分發揮其高效率、長壽命特點并能連續使用的產品中。比如：家電。人們使用洗衣機和空調已經有很長時間了。最近，BLDC電機已用于電風扇，耗電量已大大減少。正是因為效率高，功耗才降低。

BLDC電機也用于真空吸塵器。在某種情況下，通過改變控制系統，轉數大大增加。這個例子顯示了BLDC電機良好的可控性。

作為重要的存儲介質，硬盤的旋轉部分也采用了BLDC電機。由于它是一臺需要長時間運行的電機，所以它的耐用性非常重要。當然也可以用來抑制功耗。這里的高效率也和低功耗有關。

BLDC電機的用途還有很多

BLDC電機有望在更廣泛的領域得到應用。BLDC電機將廣泛應用于小型機器人，尤其是在制造業以外的領域提供服務的“服務機器人”。“定位對機器人來說非常重要。難道不應該用以電脈沖數運行的步進電機嗎？”也許有人會這么想。但在動力控制方面，BLDC電機更合適。此外，如果使用步進電機，機器人手腕等結構需要提供相當大的電流才能固定在某個位置。如果是BLDC電機，只能借助外力提供所需動力，從而抑制功耗。

也可以用于交通運輸。長期以來，簡單的DC電機大多用于電動汽車或老年人的高爾夫球車，但最近，具有良好可控性的高效BLDC電機已被使用。通過微妙的控制，可以延長電池的持續時間。BLDC發動機也適用于無人機。特別是對于多軸框架的無人機，由于它是通過改變螺旋槳的轉數來控制飛行姿態的，所以能夠精確控制旋轉的BLDC電機具有很大的優勢。

最近怎么樣？BLDC電機是一種高效率、可控性好、壽命長的優質電機。然而，如果我們想最大限度地發揮BLDC發動機的功率，我們需要正確的控制。怎么操作呢？

僅靠連接無法轉動

轉子BLDC電機是典型的BLDC電機之一，其外觀和內部結構如下圖所示(圖1)。有刷DC電機(以下稱為DC電機)在其轉子上有一個線圈，在其外側有一個永久磁鐵。BLDC電機的轉子上有永久磁鐵，外部有線圈。BLCD電機的轉子沒有線圈，是永磁體，不需要給轉子通電。實現了無電刷的“無刷型”。

另一方面，與DC電機相比，控制變得更加困難。不僅僅需要將電機上的電纜連接到電源。甚至電纜的數量也不同。與“將正極()和負極(-)接到電源上”不同。

圖1：BLDC電機的外觀及內部構造

轉子是永久磁鐵，所以不能通電。沒有電刷和換向器，使用壽命可以延長。

改變磁通量的方向

為了旋轉BLDC電機，必須控制線圈的電流方向和正時。圖2-A是對BLDC電機的定子(線圈)和轉子(永磁體)建模的結果。用這張圖，想想轉子的轉動。考慮使用3個線圈。雖然存在實際使用六個或更多線圈的情況，但是根據原理，每隔120度放置一個線圈，并且使用三個線圈。將電機的電能(電壓、電流)轉換成機械旋轉。圖2-A中的BLDC電機是如何旋轉的？我們先來看看電機里發生了什么。

圖2-A：BLDC電機轉動原理

BLDC電機中每隔120度放置一個線圈，總共放置三個線圈來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。這三個線圈是用來通電后產生磁通量的，分別命名為U、V、w，試著給線圈通電。線圈U(以下簡稱“線圈”)上的電流路徑記為U相，V記為V相，W記為W相。接下來我們來看看U相。當U相通電時，將產生圖2-B所示箭頭方向的磁通量。

但實際上U、V、W的電纜都是相互連接的，不可能只給U相通電。此處，當U相通電至W相時，將在U和W中產生磁通量，如圖2-C所示。U和W的兩個磁通量合并成為更大的磁通量，如圖2-D所示.永磁體將旋轉，使得合成磁通量與中心永磁體(轉子)的N極方向相同。

圖2-B：BLDC電機的轉動原理

從U到w通電，首先只注意線圈的U部分，發現會產生箭頭一樣的磁通量。

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圖2-C：BLDC電機的轉動原理

當U相通電到W相時，會產生兩個方向不同的磁通量。

圖2-D：BLDC電機的轉動原理

當U相被激勵到W相時，可以認為產生了由兩個磁通量組成的磁通量。

如果復合磁通量的方向改變，永久磁鐵也會改變。根據永磁體的位置，切換U相、V相和W相的通電相位，以改變合成磁通量的方向。如果連續進行這種操作，產生的磁通量將旋轉，從而產生磁場，轉子將旋轉。

圖3示出了通電相位和合成磁通量之間的關系。在這個例子中，如果激勵模式從1到6依次改變，合成磁通量將順時針旋轉。通過改變復合磁通量的方向和控制速度，可以控制轉子的旋轉速度。切換這六種上電模式來控制電機的控制方式稱為“120度上電控制”。

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，雖然合成磁通量的方向會在120度通電的控制下旋轉，但是只有六個方向。例如，如果圖3中的“通電模式1”改變為“通電模式2”，則合成磁通量的方向將改變60度。然后轉子會像被吸引一樣旋轉。接下來，通過從“激勵模式2”改變到“激勵模式3”，合成磁通量的方向將再次改變60度。轉子將再次被這種變化吸引。這種現象會一再發生。這個動作會變得僵硬。有時候這個動作會發出噪音。

正是“正弦波控制”可以消除120度通電控制的缺點，實現平滑旋轉。在120度通電控制中，合成磁通量在六個方向上是固定的。控制，使其不斷變化。在圖2-C的例子中，U和W產生的磁通量大小相同。然而，如果可以很好地控制U相、V相和W相，則線圈可以產生不同的磁通量，并且可以精確地控制合成磁通量的方向。調節U相、V相和W相的電流，同時產生復合磁通。通過控制這種磁通量的連續產生，電動機可以平穩地旋轉。

圖4：正弦波控制

正弦波控制可以控制三相上的電流，產生復合磁通，實現平滑旋轉。可以在120度通電控制不能產生的方向上產生合成磁通量。

使用逆變器控制電機

U，V，W相的電流呢？為了便于理解，回想一下120度通電控制的情況。請看圖3

接下來看開機模式4。在這種模式下，電流從W流向U，與上電模式1的方向相反。在DC電機中，像這樣的電流方向轉換是通過換向器和電刷的組合來實現的。然而，BLDC汽車公司不使用這種聯系方式。使用逆變電路改變電流方向。控制BLDC電機時，一般采用逆變電路。

此外，逆變電路可以改變每相施加的電壓，調節電流值。在電壓調節中，常用PWM(脈寬調制=脈寬調制)。PWM是一種通過調整脈沖開/關的持續時間來改變電壓的方法，重要的是開時間和關時間的比率(占空比)發生變化。如果ON的比率高，則可以獲得與增加電壓相同的效果。如果ON的比率降低，可以獲得與電壓降低相同的效果(圖5)。

為了實現PWM，現在有配備特殊硬件的微型計算機。正弦波控制需要控制三相的電壓，所以軟件比只有兩相的120度通電控制稍微復雜一些。逆變器是驅動BLDC電機的必要電路。逆變器也用于交流電機，但可以認為BLDC電機幾乎用于家用電器的“逆變器型”。

圖5：PWM輸出與輸出電壓的關系

在一定時間內改變導通時間來改變電壓的有效值。

接通時間越長，有效值越接近施加100%電壓時的電壓(接通時)。

使用位置傳感器的BLDC電機

以上是BLDC電機控制的概述。BLDC電機改變線圈產生的復合磁通量的方向，使轉子的永磁體隨之改變。

其實在上面的描述中，還有一點沒有提到。也就是BLDC汽車公司的傳感器。BLDC電機根據轉子(永磁體)的位置(角度)進行控制。因此，獲取轉子位置的傳感器是必要的。如果沒有傳感器知道永磁體的方向，轉子可能會朝意想不到的方向轉動。如果有傳感器提供信息，這種情況就不會發生。

表1顯示了BLDC電機位置檢測傳感器的主要類型。根據控制方式的不同，所需的傳感器也不同。在120度通電控制中，為了確定給哪個相通電，配備了可以每隔60度輸入信號的霍爾效應傳感器。另一方面，對于精確控制復合磁通量的“矢量控制”(下一項解釋)，角傳感器或光電編碼器等高精度傳感器更有效。

使用這些傳感器可以檢測位置，但也帶來了一些缺點。傳感器防塵能力弱，維護必不可少。可用的溫度范圍也將減小。為此使用傳感器或增加布線會導致成本增加，高精度傳感器本身就很昂貴。于是，“無傳感器”的方法出現了。它不使用傳感器進行位置檢測，從而控制成本，并且不需要與傳感器相關的維護。但是這次，為了解釋原理，假設已經從位置傳感器獲得了信息。

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度信號采集一次。價格更低。不耐熱。光電正弦波控制和矢量控制有兩種：增量式(可以知道離原位置的移動距離)和絕對式(可以知道當前位置的角度)。分辨率高，但抗灰塵能力弱。該傳感器具有正弦波控制和矢量控制的高分辨率。即使在堅固和惡劣的環境中也能使用。

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

正弦波被控制為三相通電，平滑地改變合成磁通量的方向，因此轉子將平滑地旋轉。20度通電控制切換U相、V相、W相兩相使電機旋轉，而正弦波控制需要精確控制三相電流。而且控制值是一直變化的交流電值，所以控制變得更加困難。

矢量控制來了。矢量可以通過坐標變換來控制，三相交流值可以計算為兩相DC值，因此可以簡化控制。然而，矢量控制計算需要高分辨率的轉子位置信息。位置檢測有兩種方法，即使用光電編碼器或角傳感器等位置傳感器的方法，以及基于各相電流值的無傳感器方法。通過坐標變換，可以直接控制轉矩(轉動力)的相關電流值，實現無多余電流的高效控制。

然而，在矢量控制中，需要使用三角函數的坐標變換或復雜的計算處理。所以在大多數情況下，計算能力強的微型計算機會被用作控制微型計算機，比如配備FPU(浮點運算器)的微型計算機。