详解无刷直流电机的原理及正确使用方法
品慧电子讯当工程师想利用电气、电子的机器在现实世界中做些什么时，他们会思考怎样才能将电信号变为“力”？将电信号转换为力的就是传动器，即电机。可以将电机视作“将电气转换为机械的力的元件”。
当工程师想利用电气、电子的机器在现实世界中做些什么时，他们会思考怎样才能将电信号变为“力”？将电信号转换为力的就是传动器，即电机。可以将电机视作“将电气转换为机械的力的元件”。
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 1：DC 电机（有刷电机）的运转示意图。
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供电。
活跃于多个领域的电机
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。
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。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，BLDC 电机（无刷电机）具有怎样的特点才会用途如此之广呢？
BLDC 电机是如何旋转的？
BLDC 电机中的“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）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 BLDC 电机是如何向转子里的线圈通电的呢？原来 BLDC 电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。BLDC 电机的转子是永磁体，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。
图 3：BLDC 电机的运转示意图
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。
BLDC 电机的优点
BLDC 电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 BLDC 电机将在本系列的第二回中进行说明。此次我们要关注的是 BLDC 电机的优点。
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间，无法始终保持最大值。若 DC 电机（有刷电机）想要得到和 BLDC 电机一样大的扭矩，只能加大它的磁铁。这就是为什么小型 BLDC 电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。BLDC 电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和噪音。若不希望使用过程中产生噪音，会考虑采用 BLDC 电机。
BLDC 电机适用于这些方面
高效率、多样操控、寿命长的 BLDC 电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 BLDC 电机，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 BLDC 电机。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 BLDC 电机的良好控制性。
作为重要存储介质的硬盘，其旋转部分也采用了 BLDC 电机。由于它是需要长时间运转的电机，因此耐用性很重要。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。
BLDC 电机的用途还有很多
BLDC 电机有望被应用在更广泛的领域中。BLDC 电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，BLDC 电机更合适。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 BLDC 电机，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单的 DC 电机，但最近都开始采用具有良好控制性的高效率 BLDC 电机了。可以通过细微的控制，延长电池的持续时间。BLDC 电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 BLDC 电机很有优势。
怎么样？BLDC 电机是效率高、控制性良好、寿命长的优质电机。但是，要想将 BLDC 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 BLDC 电机是典型的 BLDC 电机的一种，其外观与内部构造如下所示。带刷 DC 电机（以下称为 DC 电机）的转子上有线圈，外侧放有永磁体。BLDC 电机的转子上有永磁体，外侧是线圈。BLCD 电机的转子没有线圈，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。
图 4：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 BLDC 电机，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 5-A 的 BLDC 电机又是如何转动呢？先来看一看电机中发生了什么吧。
图 5-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 5-A 所示，BLDC 电机使用 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 W 相。接下来看一看 U 相吧。向 U 相通电后，将产生如图 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 W 相通电，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 5-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
图 5-C：BLDC 电机的转动原理
从 U 相向 W 相通电，则会产生方向不同的 2 个磁通量。
图 5-D：BLDC 电机的转动原理
从 U 相向 W 相通电，可以认为产生了两个磁通量合成的磁通量。
若改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 相中通电的相，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 6：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、W 相，则可让线圈各自生成大小各异的磁通量，精密地控制合成磁通量的方向。调整 U 相、V 相、W 相各相的电流大小，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 7：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 流至 U，与通电模式 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，BLDC 电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 BLDC 电机时，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）。PWM 是一种通过调整脉冲 ON/OFF 的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。
为了实现 PWM，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 BLDC 电机必要的电路。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 BLDC 电机。
图 8：PWM 输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。
使用位置传感器的 BLDC 电机
以上是 BLDC 电机的控制的概况。BLDC 电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 BLDC 电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 BLDC 电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，且不需要传感器相关的维护。但此次为了说明原理，因此假定已从位置传感器获得了信息来吧。
通过矢量控制时刻保持高效率
正弦波控制为 3 相通电，流畅地改变合成磁通量的方向，因此转子将流畅地旋转。120 度通电控制切换了 U 相、V 相、W 相中的 2 相，以此来使电机转动，而正弦波控制则需要精确地控制 3 相的电流。而且控制的值是时刻变化的交流值，因此，控制变得更为困难。
在这里登场的便是矢量控制了。矢量控制可通过坐标变换，把 3 相的交流值作为 2 相的直流值进行计算，因此可简化控制。但是，矢量控制计算需要高分辨率下的转子的位置信息。位置检测有两种方法，即使用光电编码器或转角传感器等位置传感器的方法，以及根据各相的电流值进行推算的无传感器方法。通过该坐标变换可直接控制扭矩（旋转力）的相关电流值，从而实现没有多余电流的高效控制。
但是，矢量控制中需要进行使用三角函数的坐标变换，或复杂的计算处理。因此，大多情况下都会使用计算能力较强的微电脑作为控制用微电脑，比如配备了 FPU（浮点运算器）的微电脑等。
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