01.概觀

從簡單的鉆機到復雜的工業機器人，許多機器和設備都使用無刷DC電機將電能轉化為旋轉運動。無刷DC電機，也稱為BLDC電機，與無刷DC電機相比有很多優點。BLDC電機效率更高，需要的維護更少，因此在許多應用中已經取代了有刷電機。

圖1:電磁場和永磁磁場示意圖

兩種電機的工作原理相似，都是通過永磁體和電磁體的磁極相吸相斥產生旋轉運動。但是這些電機的控制方式卻大相徑庭。BLDC需要一個復雜的控制器來將單個DC電源轉換為三相電壓，而有刷電機可以通過調整DC電壓來控制。

圖2:有刷電機和DC無刷電機的比較

2.DC汽車的類型

1.傳統有刷DC電機

如下圖所示，在有刷DC電機中，DC電流通過轉子的線圈繞組，使電磁鐵產生極性。這些轉子的磁極與固定永磁體(稱為定子)的磁極相互作用，使轉子旋轉。

轉子每轉半圈后，需要切換線圈繞組中電流的極性，以切換轉子磁極，保持電機旋轉。

這種電流極性的轉換叫做換向。

換向是通過機械手段實現的：轉子每轉半周，電觸點(稱為電刷)與轉子上的換向器成回路連接。

這種身體接觸，久而久之會導致電刷磨損，從而導致電機無法工作。

圖3:有刷電機工作原理示意圖

2.無刷DC電機

BLDC電機采用電子換向代替機械換向，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電機的結構。BLDC電機在結構上與有刷電機相反，其永磁體安裝在轉子中，線圈繞組成為定子。

圖4:無刷DC電機工作原理示意圖

電機的磁體布局不同，定子可能有不同數量的繞組，轉子可能有多個極對，如下圖所示。

圖5:無刷DC電機極對示意圖

3.模擬BLDC電機觀察反電動勢曲線。

BLDC電機在結構上類似于PMSM，其永磁體放置在轉子中，它被定義為同步電機。在同步電機中，轉子和定子磁場是同步的，即轉子的轉速與定子磁場相同。

它們的主要區別在于它們的反電動勢(反電動勢)的形狀。馬達轉動時就像發電機一樣。也就是說，定子中產生的感應電壓與電機的驅動電壓相反。反電動勢是電機的一個重要特性，因為它的形狀決定了電機最優控制所需的算法。

BLDC電機的設計使其反電勢為梯形，所以一般采用梯形換向控制。BLDC的梯形反電動勢由梯形換向控制。

圖6:無刷DC電機反電動勢波形示意圖

PMSM的反電動勢是正弦的，所以采用磁場定向控制。PMSM正弦反電動勢由磁場方向控制。

圖7:PMSM反電動勢波形示意圖

在電機控制領域，PMSM和BLDC這兩個術語有時會混淆，這可能會導致其反電動勢曲線的混亂。本文將BLDC電機嚴格定義為具有梯形反電動勢的電機。

圖8:查看反電動勢波形的BLDC電機模擬

在圖中，Simulink用于模擬具有開路端子的單極對BLDC，即沒有電流流過線圈。如果施加扭矩來驅動轉子，電動機將充當發電機。可以測量A相電壓隨時間的變化，從而觀察電機的反電動勢形狀。電壓波形顯示BLDC電機反電動勢呈梯形，部分區域電壓平坦。

4.六步相變

為了更好地理解BLDC電機在施加外部電壓時的行為，我們將使用前面介紹的配置，其中轉子由單極對組成，定子由三個夾角為120度的線圈組成。讓電流通過線圈，給線圈通電(這里指的是A相、B相、C相)。轉子的北極顯示為紅色

首先，線圈沒有通電，轉子處于靜止狀態。當在A相與C相之間施加電壓時(如下圖所示)，會沿著虛線產生一個復合磁場。這導致轉子開始旋轉，從而與定子磁場對齊。

圖9:定子磁場產生的示意圖(虛線)

線圈有六種通電方式，如下圖所示。每次換相后，定子磁場相應旋轉，從而帶動轉子旋轉到圖示位置。在下圖中，轉子的角度是相對于水平軸的。轉子有六種對中方式，它們之間相差60度。

圖10:線圈通電示意圖

也就是說，如果每隔60度以正確的相位進行換向，電機將持續旋轉，如下圖所示。這種控制稱為六步換相或階梯控制。

圖11:六步換向(梯形控制)

這種電機可以包含更多的極對，但這需要更頻繁的換向。為了在正確的時間和正確的相位執行電機換向，控制器需要隨時知道轉子的準確位置，該位置通常由霍爾傳感器測量。

圖12:不同極對的電機換向角示意圖

5.電機和扭矩生成

下圖箭頭表示相對磁力，箭頭粗細表示場強。相同的磁極互相排斥，所以轉子逆時針旋轉。同時，相反的磁極相互吸引，從而增加同方向的扭矩。

轉子旋轉60度后，發生下一次換向。

圖13:磁場作用示意圖

將前面討論過的定子磁場疊加在上圖中，可以清楚地看到，在這種換相模式下，轉子始終沒有對準定子磁場(圖中黃色虛線)，而是一直追趕定子磁場。

圖14:定子磁場和轉子磁場示意圖

在BLDC電機中使用這種方法來改變相位有兩個原因。首先，如果讓轉子和定子的磁場完全對齊，此時產生的轉矩將為零，不利于旋轉。其次，當磁場的夾角為90度時，可以產生最大的扭矩。所以目標是讓夾角接近90度。

圖15:轉子磁場和定子磁場之間的夾角示意圖

但在BLDC電機中，采用六步換向，夾角不能一直保持在90度，夾角會在60度到120度之間波動，如下圖所示。這是因為梯形控制的本質比較簡單。更先進的方法，如磁場定向控制，可以實現定子和轉子磁場之間的90度角，從而產生更大的扭矩。這種方法常用于前面提到的PMSM控制。

圖16:轉子磁場和定子磁場的夾角示意圖

6.三相逆變器的工作原理

為了控制六步換相過程中的相位，可以使用三相逆變器將直流電引導至三相，從而在正(紅色)和負(藍色)電流之間切換。為向其中一相提供正電流，需要接通連接到該相的高端開關，為提供負電流，需要接通低端開關。

圖17:三相逆變橋示意圖

當轉子和定子磁場的夾角在60-120度之間時，按上述方式進行此操作，三相逆變器可保持電機勻速旋轉。為了改變電機速度，可以調節施加的電壓。為了在不改變電源電壓的情況下控制電機速度，可以使用脈寬調制(PWM)。