一、概述

從簡單的鉆機到復雜的工業(yè)機器人，許多機器設備都使用無刷直流電機將電能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動。無 刷直流電機也稱為 BLDC 電機，相比有刷直流電機具備諸多優(yōu)勢。BLDC 電機更高效，所需的維護更少， 因而已在許多應用中取代了有刷電機

兩類電機的運行原理相似，均由永磁體和電磁體的磁極吸引和排斥產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動。但這些電機的控 制方式卻大不相同。BLDC 需要復雜的控制器才能將單個直流電源轉(zhuǎn)換為三相電壓，而有刷電機可以通 過調(diào)節(jié)直流電壓來控制

二、直流電機的類型

1、傳統(tǒng)有刷直流電機

如下圖所示，在有刷直流電機中，直流電流通過轉(zhuǎn)子的線圈繞組，使電磁體產(chǎn)生極性。這些轉(zhuǎn)子的 磁極與固定永磁體（稱為定子）的磁極相互作用，從而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)

? 轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動半圈之后，需要切換線圈繞組中的電流極性，以對調(diào)轉(zhuǎn)子磁極， 使電機保持旋轉(zhuǎn)狀 態(tài)

? 這種電流極性的切換被稱為換相

? 換相通過機械方式實現(xiàn)：轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的每個半圈中，電觸頭（稱為電刷）與轉(zhuǎn)子上的換相器連成一 個回路

? 這種物理接觸會導致電刷隨著時間推移而磨損，從而導致電機無法工作

2、無刷直流電機

BLDC 電機采用電子換相來代替機械換相，克服了有刷電機的上述缺陷。為了更好地理解這一點， 有必要進一步了解 BLDC 電機結構。BLDC 電機與有刷電機構造相反，其永磁體安裝在轉(zhuǎn)子中，而線圈 繞組則成為定子

電機的磁體布局不盡相同，定子可能具有不同數(shù)量的繞組，而轉(zhuǎn)子可能具有多個極對，如下圖所示

3、仿真 BLDC 電機以觀察反電動勢曲線

BLDC 電機和 PMSM 的結構類似，其永磁體均置于轉(zhuǎn)子，并被定義為同步電機。在同步電機中，轉(zhuǎn) 子與定子磁場同步，即轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度與定子磁場相同

它們的主要區(qū)別在于其反電動勢（反 EMF）的形狀。電機在旋轉(zhuǎn)時充當發(fā)電機。也就是說，定子 中產(chǎn)生感應電壓，與電機的驅(qū)動電壓反向。反電動勢是電機的重要特征，因為其形狀決定了對電機進行 最優(yōu)控制所需的算法

BLDC 電機的設計使其反電動勢呈梯形，因此一般采用梯形換相控制。BLDC 梯形反電動勢 采用梯 形換相控制

PMSM 的反電動勢呈正弦波形，因此采用磁場定向控制。PMSM 正弦反電動勢采用磁場定向控制

在電機控制領域，PMSM 和 BLDC 這兩個術語有時會被混用，這可能導致對其反電動勢曲線的混 淆。本文將 BLDC 電機嚴格限定為具有梯形反電動勢的電機

圖中使用 Simulink 仿真的是帶開路端子的單極對 BLDC，即線圈中沒有電流通過。如果施加扭矩帶 動轉(zhuǎn)子，電機將充當發(fā)電機。您可以測量 A 相電壓隨時間變化的情況，從而觀察電機的反電動勢形狀。 電壓波形顯示 BLDC 電機的反電動勢呈梯形，其中部分區(qū)域電壓持平

4、六步換相

為了更好地理解施加外部電壓時 BLDC 電機的行為，我們將使用前面介紹的配置，其中轉(zhuǎn)子由單 極對組成，而定子由夾角為 120 度的三個線圈組成。讓電流通過線圈，給線圈（此處稱為 A 相、B 相 和 C 相）通電。轉(zhuǎn)子的北極用紅色表示，南極用藍色表示

一開始，線圈沒有通電，轉(zhuǎn)子處于靜止狀態(tài)。在 A 相與 C 相之間施加電壓（如下圖所示），即會沿 虛線產(chǎn)生復合磁場。這使轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)，從而與定子磁場對齊

線圈對共有六種通電方法，如下圖所示。每次換相后，定子磁場相應旋轉(zhuǎn)，從而帶動轉(zhuǎn)子，使之旋 轉(zhuǎn)至圖示位置。在下圖中，轉(zhuǎn)子角度是相對于水平軸而言的，轉(zhuǎn)子共有六種對齊方式，兩兩相差 60 度

也就是說，如果每 60 度以正確的相位執(zhí)行一次換相，電機將連續(xù)旋轉(zhuǎn)，如下圖所示。此類控制被 稱為六步換相或梯形控制

此類電機可以包含更多極對，但這就要求更為頻繁地換相。為了在合適的時機以正確的相位執(zhí)行電 機換相，控制器需要時刻掌握轉(zhuǎn)子的確切位置，對此通常使用霍爾傳感器進行測量

5、電機和扭矩產(chǎn)生

下圖中箭頭表示相對磁力，箭頭粗細表示場強。相同磁極相互排斥，從而使轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)。同時， 相反磁極相互吸引，從而在同一方向增加扭矩

轉(zhuǎn)子完成 60 度旋轉(zhuǎn)后，發(fā)生下一次換相

將先前討論的定子磁場疊加到上圖中，可以很明顯地看出，在這種換相方式中，轉(zhuǎn)子從不對齊定子 磁場（圖中的黃色虛線），而是一直在追趕定子磁場

在 BLDC 電機中采用這種方式換相有兩個原因。首先，如果允許轉(zhuǎn)子和定子磁場完全對齊，此時產(chǎn) 生的扭矩為零，這不利于旋轉(zhuǎn)。其次，磁場夾角為 90 度時可產(chǎn)生最大扭矩。因此，目標是使該夾角接 近 90 度

但在 BLDC 電機中，采用六步換相無法讓夾角始終保持 90 度，夾角將在 60 度和 120 度之間波動， 如下圖所示。 這是因為梯形控制的性質(zhì)相對簡單。磁場定向控制等更先進的方法可實現(xiàn)定子與轉(zhuǎn)子磁 場間 90 度夾角，以此產(chǎn)生更大的扭矩，該方法常用于之前提到的 PMSM 控制

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