最基本的電機(jī)是“DC電機(jī)(有刷電機(jī))”。將線圈置于磁場中，通過流動(dòng)的電流，線圈會(huì)受到一邊磁極的排斥，同時(shí)受到另一邊磁極的吸引，并在此作用下不斷旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)的過程中，流入線圈的電流反方向流動(dòng)，使其不斷旋轉(zhuǎn)。電機(jī)中有一個(gè)叫做“換向器”的部件，由“電刷”供電?！八⒆印钡奈恢迷凇稗D(zhuǎn)向器”的上方，它隨著轉(zhuǎn)動(dòng)而不斷移動(dòng)。通過改變畫筆的位置，可以改變當(dāng)前的方向。和換向器電刷是DC電機(jī)旋轉(zhuǎn)不可缺少的結(jié)構(gòu)(圖1)。

圖一：DC電機(jī)（有刷電機(jī)）的運(yùn)轉(zhuǎn)示意圖。

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

活躍于多個(gè)領(lǐng)域的電機(jī)

我們根據(jù)電源類型和旋轉(zhuǎn)原理對電機(jī)進(jìn)行了分類(圖2)。我們先簡單看一下各種電機(jī)的特點(diǎn)和用途。

圖2：電機(jī)的主要類型

DC電機(jī)(有刷電機(jī))結(jié)構(gòu)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?；蛴糜谄嚨摹半妱?dòng)后視鏡開閉、方向控制”等用途。雖然它價(jià)格便宜，可用于許多領(lǐng)域，但它也有一些缺陷。由于換向器會(huì)與電刷接觸，壽命很短，所以需要定期更換電刷或保修。

步進(jìn)電機(jī)將根據(jù)發(fā)送給它的電脈沖的數(shù)量旋轉(zhuǎn)。它的運(yùn)動(dòng)量取決于發(fā)送給它的電脈沖的數(shù)量，因此它適合于位置調(diào)節(jié)。一般在家里用于“傳真機(jī)、打印機(jī)的進(jìn)紙”等等。因?yàn)閭髡鏅C(jī)的送紙步數(shù)取決于規(guī)格(雕刻和細(xì)度)，所以隨電脈沖數(shù)旋轉(zhuǎn)的步進(jìn)電機(jī)使用起來非常方便。一旦信號停止，機(jī)器就會(huì)暫時(shí)停止，這個(gè)問題很容易解決。

同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)隨電源頻率而變化，用于“微波爐轉(zhuǎn)臺”和其他應(yīng)用。電機(jī)組里有齒輪減速器，可以得到適合加熱食物的轉(zhuǎn)數(shù)。感應(yīng)電機(jī)也受電源頻率的影響，但頻率與轉(zhuǎn)數(shù)不一致。過去，這種交流電機(jī)用于風(fēng)扇或洗衣機(jī)。

可見各種電機(jī)在很多領(lǐng)域都很活躍。其中，BLDC電機(jī)(無刷電機(jī))有什么特點(diǎn)才能得到如此廣泛的應(yīng)用？

BLDC電機(jī)是如何旋轉(zhuǎn)的？

“BL”在BLDC電機(jī)里是“無刷”的意思，也就是DC電機(jī)(有刷電機(jī))里的電刷沒了。有刷DC電機(jī)(有刷電機(jī))的作用是通過換向器給轉(zhuǎn)子中的線圈通電。那么BLDC無刷電機(jī)是如何給轉(zhuǎn)子中的線圈通電的呢？原來，BLDC電機(jī)使用永磁體作為轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子中沒有線圈。由于轉(zhuǎn)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(gè)線圈作為定子(圖3)。

DC中固定永磁體(有刷電機(jī))產(chǎn)生的磁場不會(huì)移動(dòng)，但會(huì)被控制線圈(轉(zhuǎn)子)產(chǎn)生的磁場帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。通過改變電壓來改變轉(zhuǎn)數(shù)。BLDC電機(jī)的轉(zhuǎn)子是永久磁鐵，通過改變周圍線圈產(chǎn)生的磁場方向來旋轉(zhuǎn)。通過控制流向線圈的電流的方向和大小來控制轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。

圖3：BLDC電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)示意圖。

BLDC電機(jī)使用永磁體作為轉(zhuǎn)子。由于不需要給轉(zhuǎn)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(jī)的優(yōu)點(diǎn)

BLDC電機(jī)的定子上有三個(gè)線圈，每個(gè)線圈有兩根導(dǎo)線，電機(jī)中有六根導(dǎo)線。實(shí)際上，因?yàn)槭莾?nèi)部接線，通常只需要三根線，但還是比前面提到的DC電機(jī)(有刷電機(jī))多了一根線。簡單接一下電池的正負(fù)極就不會(huì)動(dòng)了。如何運(yùn)行BLDC汽車將在本系列的第二部分解釋。這一次，我們應(yīng)該把重點(diǎn)放在BLDC汽車的優(yōu)勢上。

BLDC電機(jī)的第一個(gè)特點(diǎn)是“高效率”。它可以控制其回轉(zhuǎn)力(扭矩)始終保持最大值。對于DC電機(jī)(有刷電機(jī))來說，最大轉(zhuǎn)矩在旋轉(zhuǎn)過程中只能保持片刻，而不能一直保持最大值。DC電機(jī)(有刷電機(jī))要想獲得和BLDC電機(jī)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(fā)出強(qiáng)大的力量。

第二個(gè)特點(diǎn)是“好控制”，和第一個(gè)有關(guān)。BLDC電機(jī)可以得到你想要的扭矩，轉(zhuǎn)數(shù)等等。BLDC電機(jī)能準(zhǔn)確反饋目標(biāo)轉(zhuǎn)數(shù)、扭矩等?？梢酝ㄟ^精確控制來抑制電機(jī)的發(fā)熱和功耗。如果使用電池驅(qū)動(dòng)，通過小心控制可以延長驅(qū)動(dòng)時(shí)間。

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

BLDC電機(jī)適用于這些方面

效率高、控制多樣、壽命長的BLDC電機(jī)一般用在哪里？常用于能充分發(fā)揮其高效率、長壽命特點(diǎn)并能連續(xù)使用的產(chǎn)品中。比如：家電。人們使用洗衣機(jī)和空調(diào)已經(jīng)有很長時(shí)間了。最近，BLDC電機(jī)已用于電風(fēng)扇，耗電量已大大減少。正是因?yàn)樾矢撸牟沤档汀?/p>

BLDC電機(jī)也用于真空吸塵器。在某種情況下，通過改變控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)數(shù)大大增加。這個(gè)例子顯示了BLDC電機(jī)良好的可控性。

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

BLDC電機(jī)的用途還有很多

BLDC電機(jī)有望在更廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用。BLDC電機(jī)將廣泛應(yīng)用于小型機(jī)器人，尤其是在制造業(yè)以外的領(lǐng)域提供服務(wù)的“服務(wù)機(jī)器人”?！岸ㄎ粚C(jī)器人來說非常重要。難道不應(yīng)該用以電脈沖數(shù)運(yùn)行的步進(jìn)電機(jī)嗎？”也許有人會(huì)這么想。但在動(dòng)力控制方面，BLDC電機(jī)更合適。此外，如果使用步進(jìn)電機(jī)，機(jī)器人手腕等結(jié)構(gòu)需要提供相當(dāng)大的電流才能固定在某個(gè)位置。如果是BLDC電機(jī)，只能借助外力提供所需動(dòng)力，從而抑制功耗。

也可以用于交通運(yùn)輸。長期以來，簡單的DC電機(jī)大多用于電動(dòng)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(jī)已被使用。通過微妙的控制，可以延長電池的持續(xù)時(shí)間。BLDC發(fā)動(dòng)機(jī)也適用于無人機(jī)。特別是對于多軸框架的無人機(jī)，由于它是通過改變螺旋槳的轉(zhuǎn)數(shù)來控制飛行姿態(tài)的，所以能夠精確控制旋轉(zhuǎn)的BLDC電機(jī)具有很大的優(yōu)勢。

最近怎么樣？BLDC電機(jī)是一種高效率、可控性好、壽命長的優(yōu)質(zhì)電機(jī)。然而，如果我們想最大限度地發(fā)揮BLDC發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，我們需要正確的控制。怎么操作呢？

僅靠連接無法轉(zhuǎn)動(dòng)

轉(zhuǎn)子BLDC電機(jī)是典型的BLDC電機(jī)之一，其外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示(圖1)。有刷DC電機(jī)(以下稱為DC電機(jī))在其轉(zhuǎn)子上有一個(gè)線圈，在其外側(cè)有一個(gè)永久磁鐵。BLDC電機(jī)的轉(zhuǎn)子上有永久磁鐵，外部有線圈。BLCD電機(jī)的轉(zhuǎn)子沒有線圈，是永磁體，不需要給轉(zhuǎn)子通電。實(shí)現(xiàn)了無電刷的“無刷型”。

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

圖1：BLDC電機(jī)的外觀及內(nèi)部構(gòu)造

轉(zhuǎn)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(zhuǎn)BLDC電機(jī)，必須控制線圈的電流方向和正時(shí)。圖2-A是對BLDC電機(jī)的定子(線圈)和轉(zhuǎn)子(永磁體)建模的結(jié)果。用這張圖，想想轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)?？紤]使用3個(gè)線圈。雖然存在實(shí)際使用六個(gè)或更多線圈的情況，但是根據(jù)原理，每隔120度放置一個(gè)線圈，并且使用三個(gè)線圈。將電機(jī)的電能(電壓、電流)轉(zhuǎn)換成機(jī)械旋轉(zhuǎn)。圖2-A中的BLDC電機(jī)是如何旋轉(zhuǎn)的？我們先來看看電機(jī)里發(fā)生了什么。

圖2-A：BLDC電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)原理

BLDC電機(jī)中每隔120度放置一個(gè)線圈，總共放置三個(gè)線圈來控制通電相或線圈的電流。

如圖2-A所示，BLDC電機(jī)使用3個(gè)線圈。這三個(gè)線圈是用來通電后產(chǎn)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(dāng)U相通電時(shí)，將產(chǎn)生圖2-B所示箭頭方向的磁通量。

但實(shí)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(dāng)U相通電至W相時(shí)，將在U和W中產(chǎn)生磁通量，如圖2-C所示。U和W的兩個(gè)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(zhuǎn)，使得合成磁通量與中心永磁體(轉(zhuǎn)子)的N極方向相同。

圖2-B：BLDC電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理

從U到w通電，首先只注意線圈的U部分，發(fā)現(xiàn)會(huì)產(chǎn)生箭頭一樣的磁通量。

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圖2-C：BLDC電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理

當(dāng)U相通電到W相時(shí)，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)方向不同的磁通量。

圖2-D：BLDC電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理

當(dāng)U相被激勵(lì)到W相時(shí)，可以認(rèn)為產(chǎn)生了由兩個(gè)磁通量組成的磁通量。

如果復(fù)合磁通量的方向改變，永久磁鐵也會(huì)改變。根據(jù)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(xù)進(jìn)行這種操作，產(chǎn)生的磁通量將旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生磁場，轉(zhuǎn)子將旋轉(zhuǎn)。

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

圖3：轉(zhuǎn)子的永久磁石會(huì)像被合成磁通量牽引一樣旋轉(zhuǎn)，電機(jī)的軸也會(huì)因此旋轉(zhuǎn)

使用正弦波控制，進(jìn)行流暢的轉(zhuǎn)動(dòng)

接下來，雖然合成磁通量的方向會(huì)在120度通電的控制下旋轉(zhuǎn)，但是只有六個(gè)方向。例如，如果圖3中的“通電模式1”改變?yōu)椤巴娔Ｊ?”，則合成磁通量的方向?qū)⒏淖?0度。然后轉(zhuǎn)子會(huì)像被吸引一樣旋轉(zhuǎn)。接下來，通過從“激勵(lì)模式2”改變到“激勵(lì)模式3”，合成磁通量的方向?qū)⒃俅胃淖?0度。轉(zhuǎn)子將再次被這種變化吸引。這種現(xiàn)象會(huì)一再發(fā)生。這個(gè)動(dòng)作會(huì)變得僵硬。有時(shí)候這個(gè)動(dòng)作會(huì)發(fā)出噪音。

正是“正弦波控制”可以消除120度通電控制的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)平滑旋轉(zhuǎn)。在120度通電控制中，合成磁通量在六個(gè)方向上是固定的?？刂?，使其不斷變化。在圖2-C的例子中，U和W產(chǎn)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(chǎn)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(diào)節(jié)U相、V相和W相的電流，同時(shí)產(chǎn)生復(fù)合磁通。通過控制這種磁通量的連續(xù)產(chǎn)生，電動(dòng)機(jī)可以平穩(wěn)地旋轉(zhuǎn)。

圖4：正弦波控制

正弦波控制可以控制三相上的電流，產(chǎn)生復(fù)合磁通，實(shí)現(xiàn)平滑旋轉(zhuǎn)?？梢栽?20度通電控制不能產(chǎn)生的方向上產(chǎn)生合成磁通量。

使用逆變器控制電機(jī)

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(jī)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(jī)中，像這樣的電流方向轉(zhuǎn)換是通過換向器和電刷的組合來實(shí)現(xiàn)的。然而，BLDC汽車公司不使用這種聯(lián)系方式。使用逆變電路改變電流方向。控制BLDC電機(jī)時(shí)，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(diào)節(jié)電流值。在電壓調(diào)節(jié)中，常用PWM(脈寬調(diào)制=脈寬調(diào)制)。PWM是一種通過調(diào)整脈沖開/關(guān)的持續(xù)時(shí)間來改變電壓的方法，重要的是開時(shí)間和關(guān)時(shí)間的比率(占空比)發(fā)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(shí)現(xiàn)PWM，現(xiàn)在有配備特殊硬件的微型計(jì)算機(jī)。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(fù)雜一些。逆變器是驅(qū)動(dòng)BLDC電機(jī)的必要電路。逆變器也用于交流電機(jī)，但可以認(rèn)為BLDC電機(jī)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(guān)系

在一定時(shí)間內(nèi)改變導(dǎo)通時(shí)間來改變電壓的有效值。

接通時(shí)間越長，有效值越接近施加100%電壓時(shí)的電壓(接通時(shí))。

使用位置傳感器的BLDC電機(jī)

以上是BLDC電機(jī)控制的概述。BLDC電機(jī)改變線圈產(chǎn)生的復(fù)合磁通量的方向，使轉(zhuǎn)子的永磁體隨之改變。

其實(shí)在上面的描述中，還有一點(diǎn)沒有提到。也就是BLDC汽車公司的傳感器。BLDC電機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)子(永磁體)的位置(角度)進(jìn)行控制。因此，獲取轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子可能會(huì)朝意想不到的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。如果有傳感器提供信息，這種情況就不會(huì)發(fā)生。

表1顯示了BLDC電機(jī)位置檢測傳感器的主要類型。根據(jù)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(gè)相通電，配備了可以每隔60度輸入信號的霍爾效應(yīng)傳感器。另一方面，對于精確控制復(fù)合磁通量的“矢量控制”(下一項(xiàng)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(diǎn)。傳感器防塵能力弱，維護(hù)必不可少?？捎玫臏囟确秶矊p小。為此使用傳感器或增加布線會(huì)導(dǎo)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(xiàn)了。它不使用傳感器進(jìn)行位置檢測，從而控制成本，并且不需要與傳感器相關(guān)的維護(hù)。但是這次，為了解釋原理，假設(shè)已經(jīng)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(yīng)傳感器120度通電，控制每60度信號采集一次。價(jià)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(dòng)距離)和絕對式(可以知道當(dāng)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(jiān)固和惡劣的環(huán)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(shí)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(zhuǎn)子將平滑地旋轉(zhuǎn)。20度通電控制切換U相、V相、W相兩相使電機(jī)旋轉(zhuǎn)，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(biāo)變換來控制，三相交流值可以計(jì)算為兩相DC值，因此可以簡化控制。然而，矢量控制計(jì)算需要高分辨率的轉(zhuǎn)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(biāo)變換，可以直接控制轉(zhuǎn)矩(轉(zhuǎn)動(dòng)力)的相關(guān)電流值，實(shí)現(xiàn)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(shù)的坐標(biāo)變換或復(fù)雜的計(jì)算處理。所以在大多數(shù)情況下，計(jì)算能力強(qiáng)的微型計(jì)算機(jī)會(huì)被用作控制微型計(jì)算機(jī)，比如配備FPU(浮點(diǎn)運(yùn)算器)的微型計(jì)算機(jī)。