无刷直流BLDC电机的原理及正确的使用方法

1、最基本的电机是“ DC电机（有刷电机）”。在磁场中放置线圈，通过流 动的电流，线圈会被一侧的磁极排斥，同时被另一侧磁极所吸引，在这种作 用下不断旋转。在旋转过程中令通向线圈中的电流反向流动，使其持续旋转。 电机中有个叫“换向器”的部分是靠“电刷"供电的，"电刷"的位置在"转向器” 上方，随着旋转不断移动。通过改变电刷的位置，可使电流方向发生变化。换向器和电刷是DC电机的旋转所不可或缺的结构（图一）。转子（rotor）线圈二| 黑向器电刷图一：DC电机（有刷电机）意图。换向器切换线圈中电流的流向，反转磁极的方向，使其始终向右旋转 电刷向与轴一同旋转的换向器

2、供电。活跃于多个领域的电机DC电机我们按电源种类和转动原理对电机进行了分类（图 2）。让我们来简单看 看各类电机的特点和用途吧。有刷DC电机无刷DC电机（BLDC）步进电机（STP）图2:电机的主要类型构造简单而又容易操控的DC电机（有刷电机）通常被用在家电产品的“光 盘托盘的开闭”等用途上。或用在汽车的“电动后视镜的开闭、方向控制”等 用途上。虽然它既廉价又能用在多个领域上，但它也有缺陷。由于换向器会和电刷接触，它的寿命很短，必须定期更换电刷或保修。步进电机会随着向其发出的电脉冲数旋转。它的运动量取决于向其发出的 电脉冲数，因此适用于位置调整。在家庭中通常被用于“传真机和打印机的送 纸”等。

3、由于传真机的送纸步骤取决于规格（刻纹、细致度），因此随着电脉 冲数旋转的步进电机非常便于使用。很容易解决信号一旦停止机器就会暂时停 止的问题。旋转数随电源频率变化的同步电机被用于“微波炉的旋转桌”等用途上。 电机组里有齿轮减速器，可以得到适合加热食品的旋转数。感应电机也受电源 频率的影响，但频率和旋转数不一致。以前这类 AC电机被用在风扇或洗衣机上。 由此可见，各式各样的电机活跃于多个领域。其中，BLDC4机（无刷电机）具有怎样的特点才会用途如此之广呢？BLDOfe机是如何旋转的？BLDC4机中的“ BL”意为“无刷”，就是 DC电机（有刷电机）中的“电 刷”没有了。电刷在DC电机（有刷电机）

4、里扮演的角色是通过换向器向转子里 的线圈通电。那么没有电刷的 BLDCt机是如何向转子里的线圈通电的呢？原来 BLDC4动机电机采用永磁体来做转子，转子里是没有线圈的。由于转子里没有 线圈，所以不需要用于通电的换向器和电刷。取而代之的是作为定子的线圈 （图 3）。DC电机（有刷电机）中被固定的永磁体所制造出的磁场是不会动的，通过 控制线圈（转子）在其内部产生的磁场来旋转。要通过改变电压来改变旋转数。 BLDC4机的转子是永磁体，通过改变周围的线圈所产生的磁场的方向使转子旋 转。通过控制通向线圈的电流方向和大小来控制转子的旋转。转子 (rotor定子 (stator)（stator）图3: BL

5、DC电机示意图。BLDC电机将永磁体作为转子。由于无需向转子通电，因此不需要电刷和 换向器。从外部对通向线圈的电进行控制。BLDCfe机的优点BLDCfe机的定子上有三个线圈，每个线圈有两根电线，电机中共有六根引 出线。实际上，由于是内部接线，通常只需要三根线，但还是比先前所说的DC电机（有刷电机）要多出一根。纯靠连接电池的正负极是不会动的。至于如何 运行BLDCfe机将在本系列的第二回中进行说明。此次我们要关注的是BLDCH机的优点。BLDC电机的第一个特点是“高效率”。可以控制它的回旋力（扭矩）始 终保持最大值。DC电机（有刷电机）的话，旋转过程中最大扭矩只能保持一个瞬 问，无法始终保持最

6、大值。若 DC电机（有刷电机）想要得到和 BLDO6机一样 大的扭矩，只能加大它的磁铁。这就是为什么小型 BLDO6机也能发出强大力量 的原因。第二个特点是“良好的控制性”，与第一个有所关联。BLDC4机可以丝毫不差的得到你所想要的扭矩、旋转数等。BLDC电机可以精确地反馈目标旋转数、扭矩等。通过精确的控制可以抑制电机的发热和电力的消耗。若是电池驱动， 则能通过周密的控制，延长驱动时间。除此之外还有耐用，电气噪音小等特点。上述两点是无电刷所带来的优势。 而DC电机（有刷电机）由于电刷和换向器之间的接触，长时间使用会有损耗。 接触的部分还会产生火花。尤其是换向器的缝隙碰到电刷时会出现巨大的火花

7、和噪音。若不希望使用过程中产生噪音，会考虑采用 BLDCt机。BLDOfe机适用于这些方面高效率、多样操控、寿命长的 BLDOfe机一般会用在哪些地方呢？往往被 用于能够发挥其高效率、寿命长的特点，被连续使用的产品中。例如：家电。 人们很早就开始使用洗衣机和空调了。最近电风扇中也开始采用BLDOfe机，并成功促使消耗电力大幅度下降。正是因为效率高才让消耗电力下降的。吸尘机中也采用了 BLDOfe机。在某个事例中，通过变更控制系统，实现了 旋转数的大幅度上升。这个事例体现了 BLDO6机的良好控制性。作为重要存储介质的硬盘，其旋转部分也采用了 BLDOfe机。由于它是需要 长时间运转的电机，因此

8、耐用性很重要。当然，它还有极力抑制电力消耗的用 途。这里的高效率也和电力的低消耗有关。BLDO6机的用途还有很多BLDOfe机有望被应用在更广泛的领域中。 BLDOfe机将会在小型机器人，尤 其是在制造以外的领域提供服务的“服务机器人”中得到广泛应用。“定位对 于机器人很重要，不是应该使用随电脉冲数运行的步进电机吗？”或许会有人 这么想。但是在力量控制方面，BLDOfe机更合适。另外，若采用步进电机，像 机器人手腕这样的构造要固定在某个位置需要提供相当大的电流。若是BLDOH机，则能配合外力只提供所需的电力，从而抑制电力的消耗。还可用于运输方面。一直以来，老年人电动车或高尔夫球车中大多采用简

9、单的DO电机，但最近都开始采用具有良好控制性的高效率 BLDOfe机了。可以 通过细微的控制，延长电池的持续时间。BLDOfe机还适用于无人机中。尤其是多轴机架的无人机，由于它是通过改变螺旋桨的旋转数来控制飞行姿态的，因 此能够精密控制旋转的BLDOfe机很有优势。怎么样？ BLDO电机是效率高、控制性良好、寿命长的优质电机。但是， 要想将BLDO电机的力量发挥到极致，则需要正确的控制。该如何操作呢？仅靠连接无法转动内转子型BLDOfe机是典型的BLDO6机的一种，其外观与内部构造如下所 示（图1）。带刷DO电机（以下称为DO电机）的转子上有线圈，外侧放有永 磁体。BLDOfe机的转子上有永磁

10、体，外侧是线圈。 BLODt机的转子没有线圈，是永磁体，因此没有必要在转子上通电。实现了不带通电用的电刷的“无刷 型”。另一方面，与DC电机相比，控制也变得更难了。并不是只要将电机上的电缆接上电源就好了。本来就连电缆数目都不一样。和“将正极（+）和负极（-）连上电源”的方式不同。BLDC电机图1: BLDC电机的外观及内部构造转子是永磁体，因此无法通电。无需电刷及换向器，可谋求延长使用寿 命。改变磁通量的方向为了转动BLDCfe机，必须控制线圈的电流方向及时机。图 2-A是将BLDC 电机的定子（线圈）和转子（永磁体）模式化的结果。使用该图片，思考一下 转子旋转的情况吧。思考使用 3个线圈的情

11、况。虽然实际上也有使用 6个或以 上的线圈的情况，但在考虑原理的基础上，每 120度放一个线圈，使用3个线 圈。电机将电气（电压、电流）转换为机械性旋转。图 2-A的BLDCfe机又是如 何转动呢？先来看一看电机中发生了什么吧。图2-A : BLDC电机转动原理BLDC电机中每隔120度放置一个线圈，总共放置三个线圈，控制通电相 或线圈的电流如图2-A所示，BLDC4机使用3个线圈。这三个线圈用以在通电后生成磁 通量，将其命名为U、V、W将该线圈通电试试看吧。线圈 U （以下简称为“线 圈”）上的电流路径记为U相，V的记录为V相，W的记录为 M目。接下来看一 看U相吧。向U相通电后，将产生如图

12、2-B所示的箭头方向的磁通量。但实际上，U V、W的电缆都是互相连接着的，因此无法仅向U相通电。在这里，从U相向Wffi通电，会如图2-C所示在U、W产生磁通量。合成U和W 的两个磁通量，变为图2-D所示的较大的磁通量。永磁体将进行旋转，以使该 合成磁通量与中央的永磁体（转子）的 N极方向相同。图2-B : BLDC电机的转动原理从U相向W向通电。首先，只关注线圈 U部分，则发现会产生如箭头般 的磁通量VIP w图2-C : BLDC电机的转动原理从U相向Wffi通电，则会产生方向不同的2个磁通量图2-D : BLDC电机的转动原理从U相向 愀目通电，可以认为产生了两个磁通量合成的磁通量。若改

13、变 合成磁通量的方向，则永磁体也会随之改变。配合永磁体的位置，切换 U相、V 相、W目中通电的相，以变更合成磁通量的方向。连续执行此操作，则合成磁 通量将发生旋转，从而产生磁场，转子旋转。图3所示的是通电相与合成磁通量的关系。在该例中，按顺序从 1-6变更 通电模式，则合成磁通量将顺时针旋转。通过变更合成磁通量的方向，控制速 度，可控制转子的旋转速度。将切换这 6种通电模式，控制电机的控制方法称 为“120度通电控制”。图3:转子的永久磁石会像被合成磁通量牵引一样旋转，电机的轴也会因此 旋转使用正弦波控制，进行流畅的转动接下来，尽管在120度通电控制下合成磁通量的方向会发生旋转，但其方 向不过

14、只有6种。比如将图3的“通电模式1”改为“通电模式2"，则合成磁 通量的方向将变化60度。然后转子将像被吸引一样发生旋转。接下来，从“通 电模式2”改为“通电模式3"，则合成磁通量的方向将再次变化 60度。转子 将再次被该变化所吸引。这一现象将反复出现。这一动作将变得生硬。有时这 动作还会发出噪音。能消除120度通电控制的缺点，实现流畅的转动的正是“正弦波控制”在120度通电控制中，合成磁通量被固定在了 6个方向。进行控制，使其进行 连续的变化。在图2-C的例子中，U和W生成的磁通量大小相同。但是，若能 较好地控制U相、V相、Wf,则可让线圈各自生成大小各异的磁通量，精密地

15、 控制合成磁通量的方向。调整 U相、V相、Wffi各相的电流大小，与此同时生成 了合成磁通量。通过控制这一磁通量连续生成，可使电机流畅地转动。图4:正弦波控制正弦波控制可控制3相上的电流，生成合成磁通量，实现流畅的转动。可生成120度通电控制无法生成的方向上生成合成磁通量使用逆变器控制电机那么U、V、W各相上的电流又如何呢？为便于理解，回想 120度通电控制 的情况看看吧。请再次查看图3。在通电模式1时，电流从U流至W;在通电模 式2时，电流从U流至V。可以看出，每当有电流流动的线圈的组合发生改变 时，合成磁通量箭头的方向也会发生变化。接下来，请看通电模式4。在该模式下，电流从 W航至U,与通

16、电模式1的 方向相反。在DC电机中，像这样的电流方向的转换是由换向器和刷子的组合来 进行了。但是，BLDCt机不使用这样的接触型的方法。使用逆变器电路，更改 电流的方向。在控制BLDCfe机时，一般使用的是逆变器电路。另外逆变器电路可改变各相中的外加电压，调整电流值。电压的调整中，常用的是PWM Pulse Width Modulation 脉冲宽度调制）。PW槌一种通过调 整脉冲ON/OFF勺时间长度改变电压的方法，重要的是 ON时间和OFF时间的比 率（占空比）变化。若 ON的比率较高，可以得到和提高电压相同的效果。若 ON的比率下降，则可以得到和电压降低相同的效果（图5）。为了实现PWM

17、现在还有配备了专用硬件的微电脑。进行正弦波控制时需 控制3相的电压，因此比起只有2相通电的120度通电控制来说，软件要稍稍 复杂一些。逆变器是对驱动 BLDO6机必要的电路。交流电机中也使用了逆变器， 但可以认为家电产品中所说的“逆变器式”几乎使用的是BLDCfe机。切慢周期如图所示，若切观ONQFF便ON的制间若也一曲沌少0N的时间,则有效值电压占一半，则电压有蚊值将撞平均之后变成他Q进一步变小隔来的一半图5: PW喻出与输出电压的关系变更某时间内的ON时间，以变更电压的有效值。ON时间越长，有效值越接近施加 100%电压时（ON时）的电压使用位置彳感器的BLDCfe机以上是BLDCfe机的

18、控制的概况。BLDCfe机通过改变线圈生成的合成磁通 量的方向，使转子的永磁体随之变化。实际上，在以上的说明中，还有一点没有提到。即BLDCfe机中的传感器的存在。BLDC电机的控制是配合着转子（永磁体）的位置（角度）进行的。因此， 获取转子位置的传感器是必需的。若没有传感器得知永磁体的方向时，转子可 能会转至意料之外的方向。有传感器提供信息的话，就不会出现这样的情况了。表1中显示的是BLDCfe机主要的位置检测用传感器的种类。根据控制方式 的不同，需要的传感器也是不同的。在 120度通电控制中，为判断要对哪个相 通电，配备了可每60度输入一次信号的霍尔效应传感器。另一方面，对于精密 控制合成磁通量的“矢量控制”（在下一项中说明）来说，转角传感器或光电 编码器等高精度传感器较为有效。通过使用这些传感器可以检测出位置，但也会带来一些缺点。传感器防尘 能力较弱，而且维护也是不可或缺的。可使用的温度范围也会缩小。使用传感 器或为此增加配线都会造成成本的上升，而且高精度传感器本身就价格高昂。 于是，“无传感器”这一方式登场了。它不使用位置检测用传感器，以此控制 成本，且不需要传