本文要介紹在電機種類里，發展快速且應用廣泛的無刷直流電機（簡稱BLDC）。BLDC被廣泛應用于日常生活用具、汽車工業、航空、消費電子、醫學電子、工業自動化等裝置和儀表中。

1.BLDC的優點

BLDC不使用機械結構的換向電刷而直接使用電子換向器，在使用中BLDC相比有刷電機有許多的優點，比如：

·能獲得更好的扭矩轉速特性；·高速動態響應；·高效率；

·長壽命；·低噪聲；·高轉速。

另外，BLDC更優的扭矩和外形尺寸比使得它更適合用于對電機自身重量和大小比較敏感的場合。在這篇應用筆記中將會對BLDC的結構、基本原理、特性和應用做一系列的探討。探討過程中可能用到的術語可以在附錄B“術語表”中找到相應的解釋。

2.BLDC結構和基本工作原理

BLDC屬于同步電機的一種，這就意味著它的定子產生的磁場和轉子產生的磁場是同頻率的，所以BLDC并不會產生普通感應電機的頻差現象。BLDC中又有單相、2相和

3相電機的區別，相類型的不同決定其定子線圈繞組的多少。在這里我們將集中討論的是應用最為廣泛的3相BLDC。

2.1 定子

BLDC定子是由許多硅鋼片經過疊壓和軸向沖壓而成，每個沖槽內都有一定的線圈組成了繞組，可以參見下圖。從傳統意義上講，BLDC的定子和感應電機的定子有點類似，不過在定子繞組的分布上有一定的差別。大多數的BLDC定子有3個呈星行排列的繞組，每個繞組又由許多內部結合的鋼片按照一定的方式組成，偶數個繞組分布在定子的周圍組成了偶數個磁極。

圖2.1.1. BLDC內部結構

BLDC的定子繞組可以分為梯形和正弦兩種繞組，它們的根本區別在于由于繞組的不同連接方式使它們產生的反電動勢（反電動勢的相關介紹請參加EMF一節）不同，分別呈現梯形和正弦波形，故用此命名了。梯形和正弦繞組產生的反電動勢的波形圖如下圖。

另外還需要對反電動勢的一點說明就是繞組的不同其相電流也是呈現梯形和正弦波形，可想而知正弦繞組由于波形平滑所以運行起來相對梯形繞組來說就更平穩一些。但是，正弦型繞組由于有更多繞組使得其在銅線的使用上就相對梯形繞組要多。

平時由于應用電壓的不同，我們可以根據需要選擇不同電壓范圍的無刷電機。48V及其以下應用電壓的電機可以用在汽車、機器人、小型機械臂等方面。100V及其以上電壓范圍的電機可以用在專用器具、自動控制以及工業生產領域。

2.2 轉子

定子是2至8對永磁體按照N極和S極交替排列在轉子周圍構成的（內轉子型），如果是外轉子型BLDC那么就是貼在轉子內壁咯。如圖2.2.1所示；

圖2.2.1 轉子磁極排布

2.3 霍爾傳感器

與有刷直流電機不同，無刷直流電機使用電子方式換向。要使BLDC轉起來，必須要按照一定的順序給定子通電，那么我們就需要知道轉子的位置以便按照通電次序給相應的定子線圈通電。定子的位置是由嵌入到定子的霍爾傳感器感知的。通常會安排3個霍爾傳感器在轉子的旋轉路徑周圍。無論何時，只要轉子的磁極掠過霍爾元件時，根據轉子當前磁極的極性霍爾元件會輸出對應的高或低電平，這樣只要根據3個霍爾元件產生的電平的時序就可以判斷當前轉子的位置，并相應的對定子繞組進行通電。

霍爾效應：當通電導體處于磁場中，由于磁場的作用力使得導體內的電荷會向導體的一側聚集，當薄平板通電導體處于磁場中時這種效應更為明顯，這樣一側聚集了電荷的導體會抵消磁場的這種影響，由于電荷在導體一側的聚集，從而使得導體兩側產生電壓，這種現象就稱為霍爾效應，E.H霍爾在1879年發現了這一現象，故以此命名。

圖2.3.1 霍爾傳感器測量原理

圖 2.3.1顯示了NS磁極交替排列的轉子的橫截面。霍爾元件安放在電機的固定位置，將霍爾元件安放到電機的定子是比較復雜的，因為如果安放時位置沒有和轉子的磁場相切那么就可能導致霍爾元件的測量值不能準確的反應轉子當前的位置，鑒于以上原因，為了簡化霍爾元件的安裝，通常在電機的轉子上安裝一顆冗余的磁體，這個磁體專門用來感應霍爾元件，這樣就能起到和轉子磁體感應的相同效果，霍爾元件一般按照圓周安放在印刷電路板上并配備了調節蓋，這樣用戶就可以根據磁場的方向非常方便的調節霍爾元件的位置以便使它工作在最佳狀態。

霍爾元件位置的安排上，有60°夾角和120°夾角兩種。基于這種擺放形式，BLDC的電流換向順序由制造廠商制定，當我們控制電機的時候就需要用到這種換向順序。

注意：霍爾元件的電壓范圍從4V到24V不等，電流范圍從5mA到15mA不等，所以在考慮控制器時要考慮到霍爾元件的電流和電壓要求。另外，霍爾元件輸出集電極開路，使用時需要接上拉電阻。

2.4 操作原理

每一次換向都會有一組繞組處于正向通電；第二組反相通電；第三組不通電。轉子永磁體的磁場和定子鋼片產生的磁場相互作用就產生了轉矩，理論上，當這兩個磁場夾角為90°時會產生最大的轉矩，當這兩個磁場重合時轉矩變為0，為了使轉子不停的轉動，那么就需要按順序改變定子的磁場，就像轉子的磁場一直在追趕定子的磁場一樣。典型的“六步電流換向”順序圖展示了定子內繞組的通電次序。

2.5 轉矩/轉速特性

圖 2.5.1 轉矩和速度特性顯示了轉矩和轉速特性。BLDC一共有兩種轉矩度量：最大轉矩和額定轉矩。當電機連續運轉的時候表現出來的就是額定轉矩。在無刷電機達到額定轉速之前，轉矩不變，無刷電機最高轉速可以達到額定轉速的150%，但是超速時電機的轉矩會相應下降。

在實際的應用中，我們常常會讓帶負載的電機啟動、停轉和逆向運行，此時就需要比額定轉矩更大的轉矩。特別是當轉子靜止和反方向加速時啟動電機，這個時候就需要更大的轉矩來抵消負載和轉子自身的慣性，這個時候就需要提供最大的轉矩一直到電機進入正向轉矩曲線階段。

圖2.5.1 轉矩和速度特性

3. 換向時序

圖2.6.1顯示了霍爾元件的輸出、反電動勢和相電流的關系。圖2.6.2顯示了根據霍爾元件輸出的波形應該繞組通電的時序。

圖2.6.1中的通電序號對應的就是圖2.6.2中的序號，每隔60°夾角其中一個霍爾元件就會改變一次其輸出特性，那么一圈（通電周期）下來就會有6次變化，同時相電流也會每60°改變一次。但是，每完成一個通電周期并不會使轉子轉動一周,轉子轉動一周需要的通電周期數目和轉子上的磁極的對數相關，轉子有多少對磁極那么就需要多少個通電周期。

圖2.6.3是關于使用MCU控制無刷電機的原理圖，其中微控制器PIC18FXX31控制Q0-Q5組成的驅動電路按照一定的時序為BLDC通電，根據電機電壓和電流的不同可以選擇不同的驅動電路，如MOSFET、IGBT或者直接使用雙極性三極管。

表2.6.1和表2.6.2表示的是基于霍爾輸入時在A、B、C繞組上的通電時序。表2.6.1是轉子順時針轉動的時序，表2.6.2是轉子逆時針轉動的時序。上面兩個表格顯示的是當霍爾元件呈60°排列時的驅動波形，前面也提到霍爾元件還可以呈120°的夾角排列，那么這個時候就需要相應的驅動波形，這些波形都可以在電機生產商的資料里找到，應用時需要嚴格遵守通電時序。

圖2.6.1 BLDC運行時序

圖2.6.3 無刷電機的驅動原理圖

連接數字和模擬轉換通道的分壓電路提供了一定速度的參考電壓，有了這個電壓，我們就可以計算PWM波形的有效值。

3.1 閉環控制

我們可以通過閉環測量當前電機的轉速而達到控制電機的轉速的目的，我們通過計算期望轉速和實際轉速的誤差，然后使用PID算法去調節PWM的占空比以達到控制電機轉速的目的。

對于低成本，低轉速的應用場合，可以使用霍爾傳感器獲得轉速反饋。利用PIC18FXX31微控制器本身的一個定時器去測量兩個霍爾元件輸出信號，然后根據這個信號得出實際的轉速。

在高轉速應用場合，我們可以在電機上裝上光電編碼器，可以利用其輸出相差90°的信號進行轉速和轉向的測量。通常，光電編碼器還可以輸出PPR信號，使得可以進行較精確的轉子定位，編碼器的編碼刻度可以上百甚至上千，編碼刻度越多，精度越高。

4. 反電動勢（BACK EMF）

根據楞次定律，當BLDC轉動時其繞組會產生與繞組兩端電壓相反方向的反向電壓，這就是反電動勢（BACK EMF）。記住，反電動勢和繞組所加電壓是反向的。決定反電動勢的主要因素有以下幾點：

· 轉子的角速度；

· 轉子永磁體的磁場強度；

· 每個定子繞組纏繞的線圈數量。計算反電動勢的公式：Back EMF = (E) ∝ NlBw 其中：· N為每相繞組的線圈數量· L轉子的長度· B為轉子的磁通密度· W為轉子的角速度

當電機一旦做好，那么其繞組的線圈數量和永磁體的磁通密度就定了，由公式可知，唯一決定反電動勢的量就是轉子的角速度（也可以換算為線速度）且角速度和反電動勢成正比。廠家一般會提供電機的反電動勢常量，通過它我們可以用來估計某一轉速下反電動勢的大小。

繞組上的電壓等于供電電壓減去反電動勢，廠家在設計電機的時候會選取適當的反電動勢常量以便電機工作時有足夠的電壓差可以使電機達到額定轉速并具有足夠的轉矩。當電機超過額定轉速工作時，反電動勢會持續上升，這時加在電機繞組間的有效電壓會下降，電流會減少，扭矩會下降，當反電動勢和供電電壓相等的時候，電流降為0，扭矩為0，電機達到極限轉速