一、概述

從簡單的鉆機到復雜的工業機器人，許多機器設備都使用無刷直流電機將電能轉換為旋轉運動。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生旋轉運動。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換為三相電壓，而有刷電機可以通 過調節直流電壓來控制

二、直流電機的類型

1、傳統有刷直流電機

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

? 轉子每轉動半圈之后，需要切換線圈繞組中的電流極性，以對調轉子磁極， 使電機保持旋轉狀 態

? 這種電流極性的切換被稱為換相

? 換相通過機械方式實現：轉子旋轉的每個半圈中，電觸頭（稱為電刷）與轉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量的繞組，而轉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，其永磁體均置于轉子，并被定義為同步電機。在同步電機中，轉 子與定子磁場同步，即轉子的旋轉速度與定子磁場相同

它們的主要區別在于其反電動勢（反 EMF）的形狀。電機在旋轉時充當發電機。也就是說，定子 中產生感應電壓，與電機的驅動電壓反向。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 動轉子，電機將充當發電機。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，轉子處于靜止狀態。在 A 相與 C 相之間施加電壓（如下圖所示），即會沿 虛線產生復合磁場。這使轉子開始旋轉，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，從而帶動轉子，使之旋 轉至圖示位置。在下圖中，轉子角度是相對于水平軸而言的，轉子共有六種對齊方式，兩兩相差 60 度

也就是說，如果每 60 度以正確的相位執行一次換相，電機將連續旋轉，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行電 機換相，控制器需要時刻掌握轉子的確切位置，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，從而使轉子逆時針旋轉。同時， 相反磁極相互吸引，從而在同一方向增加扭矩

轉子完成 60 度旋轉后，發生下一次換相

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，如果允許轉子和定子磁場完全對齊，此時產 生的扭矩為零，這不利于旋轉。其次，磁場夾角為 90 度時可產生最大扭矩。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相對簡單。磁場定向控制等更先進的方法可實現定子與轉子磁 場間 90 度夾角，以此產生更大的扭矩，該方法常用于之前提到的 PMSM 控制

完整版技術文檔請點擊文章開頭普通下載