無刷直流 （BrushlessDirect Current， BLDC）電機是一種正快速普及的電機類型，它可在家用電器、汽車、航空航天、消費品、醫療、工業自動化設備和儀器等行業中使用。正如名稱指出的那樣，BLDC 電機不用電刷來換向，而是使用電子換向。BLDC 電機和有刷直流電機以及感應電機相比，有許多優點。由于輸出轉矩與電機體積之比更高，使之在需要著重考慮空間與重量因素的應用中，大有用武之地。

一、構造和工作原理

BLDC 電機是同步電機中的一種。也就是說，定子產生的磁場與轉子產生的磁場具有相同的頻率。BLDC 電機不會遇到感應電機中常見的 “差頻”問題。BLDC 電機可配置為單相、兩相和三相。定子繞組的數量與其類型對應。三相電機最受歡迎，使用最普遍。本文主要討論電動汽車應用中的三相電機。內轉子型BLDC電機是典型的BLDC電機的一種，其外觀與內部構造如圖1所示，。帶刷DC電機（以下稱為DC電機）的轉子上有線圈，外側放有永磁體。BLDC電機的轉子上有永磁體，外側是線圈。BLCD電機的轉子沒有線圈，是永磁體，因此沒有必要在轉子上通電。實現了不帶通電用的電刷的“無刷型”。另一方面，與DC電機相比，控制也變得更難了。并不是只要將電機上的電纜接上電源就好了。本來就連電纜數目都不一樣。和“將正極（+）和負極（-）連上電源”的方式不同。

圖1  BLDC電機的外觀及內部構造

1.定子

BLDC 電機的定子由鑄鋼疊片組成，繞組置于沿內部圓周軸向開鑿的槽中（如圖 2 所示）。定子與感應電機的定子十分相似，但繞組的分布方式不同。多數BLDC 電機都有三個星型連接的定子繞組。這些繞組中的每一個都是由許多線圈相互連接組成的。在槽中放置一個或多個線圈，并使它們相互連接組成繞組。沿定子圓周分布這些繞組，以構成均勻分布的磁極。有兩種類型的定子繞組：梯形和正弦電機。以定子繞組中線圈的互連方式為依據來區分這兩種電機，不同的連接方式會產生不同類型的反電動勢（ElectromotiveForce，EMF）。正如它們的名稱所示，梯形電機具有梯形的反電動勢，正弦電機具有正弦形式的反電動勢，如圖3和圖4所示。除了反電動勢外，兩類電機中的相電流也有梯形和正弦之分。這就使正弦電機輸出的轉矩比梯形電機平滑。但是，隨之會帶來額外的成本，這是因為正弦電機中線圈在定子圓周上的分布形式會使繞組之間有額外的互連，從而增加了耗銅量。根據控制電源的輸出能力，選擇定子的額定電壓合適的電機。48 伏或更低額定電壓的電機適用于汽車、機器人和小型機械臂運動等應用。

圖 2BLDC 電機的定子

圖3  梯形反電動勢

圖 4 正弦反電動勢

2.轉子

轉子用永磁體制成，可有 2 到 8 對磁極，南磁極和北磁極交替排列。要根據轉子中需要的磁場密度選擇制造轉子的合適磁性材料。傳統使用鐵氧體來制造永磁體。隨著技術的進步，稀土合金磁體正越來越受歡迎。鐵氧體比較便宜，但缺點是給定體積的磁通密度低。相比之下，合金材料單位體積的磁場密度高，生成相同轉矩所需的體積小。同時，這些合金磁體能改善體積與重量之比，比使用鐵氧體磁芯的同體積電機產生的轉矩更大。稀土合金磁體有釹（Nd）、釤鈷（SmCo）以及釹鐵硼鐵氧體合金（NdFeB）等。進一步提高磁通密度，縮小轉子體積的研究仍在持續進行中。

  3.霍爾傳感器

和有刷直流電機不同，BLDC 電機的換向是以電子方式控制的。要使 BLDC 電機轉動，必須按一定的順序給定子繞組通電。為了確定按照通電順序哪一個繞組將得電，知道轉子的位置很重要。轉子的位置由定子中嵌入的霍爾效應傳感器檢測。多數 BLDC電機在其非驅動端上的定子中嵌入了三個霍爾傳感器。

每當轉子磁極經過霍爾傳感器附近時，它們便會發出一個高電平或低電平信號，表示北磁極或南磁極正經過該傳感器。根據這三個霍爾傳感器信號的組合，就能決定換向的精確順序。

二、BLDC電機的控制實驗

在試驗中，選擇了瑞薩電子電機控制評估套件“24V Motor Control Evaluation System for RX23T（以下稱為“電機RSSK”）”中有一套逆變板和各種控制軟件、開發支持工具，使用電機RSSK來實際進行一次電機控制。進行使用霍爾傳感器的120度通電控制前，需要下載“霍爾120度通電控制軟件”寫入電機控制用微控制器中。還要同時使用電機控制的開發支持工具Renesas Motor Workbench。Renesas MotorWorkbench有Analyzer功能和Tuner功能。首先來試試Analyzer功能吧。

Analyzer功能的最大特點是能在電機轉動的同時不停止CPU，持續讀寫微控制器內部的變量，并用波形顯示。若停止CPU，則可能由于PWM的輸出狀況而導致電流過大，損壞逆變板。因此，它在電機控制領域中，不像其他應用程序一樣在程序中設置暫停，導致無法確認微控制器內部的變量。所以這是一項非常有效的功能。另外，由于電機控制，尤其是矢量控制中，使用了被稱為“d軸”、“q軸”的電流值等在微控制器內部演算的電流值，因此在一般的示波器中無法確認數值。

能夠直接確認其電流值也可以說是它的一大特點吧。此外，由于能夠只提取出達到設置電壓的波形以及縮放，作為電機控制用的開發支持工具來說非常有效。比起使用DA轉換器或外部總線輸出數據或保存在存儲器之后進行分析等要高效得多。另外，也可作為通過利用變量來控制電機的轉動/停止等的用戶界面。由于Renesas Motor Workbench為用戶界面，所以，瑞薩電子在網上公開的電機控制程序是利用此程序，實際上是通過120度通電控制來進行電機控制的。

1.體驗120度通電控制

嘗試用120度通電控制，從Analyzer進行操作，讓電機轉動。120度通電控制的電流波形如圖5所示。觀察各相的電流波形。用Analyzer確認后，已確認如圖5所示的波形。中央用不同顏色表示的波形的詳細數據如下所示。雖然由于逆變電路的切換，存在無法取得電流值的時刻，但也形成了具有特點的電流波形。進行120度通電控制后，會形成矩形波一般的電流波形。另外可知，隨著藍色信號的變化，通電類型會發生切換?？戳穗姍CRSSK附帶的電機轉動的樣子之后，并沒有感覺到第2次介紹中說明的“不順暢感”。也就可以理解它為什么被用于實際的應用中。

圖5  120度通電控制的電流波形

2.改變磁通量的方向

為了轉動BLDC電機，必須控制線圈的電流方向及時機。圖6-A是將BLDC電機的定子（線圈）和轉子（永磁體）模式化的結果，是使用3個線圈的情況。雖然實際上也有使用6個或以上的線圈的情況，但在考慮原理的基礎上，每120度放一個線圈，使用3個線圈。電機將電氣（電壓、電流）轉換為機械性旋轉。圖6-A的BLDC電機又是如何轉動呢？

圖6-A：BLDC電機轉動原理

BLDC電機中每隔120度放置一個線圈，總共放置三個線圈，控制通電相或線圈的電流如圖6-A所示，BLDC電機使用3個線圈。這三個線圈用以在通電后生成磁通量，將其命名為U、V、W。將該線圈通電試試看吧。線圈U（以下簡稱為“線圈”）上的電流路徑記為U相，V的記錄為V相，W的記錄為W相。接下來看一看U相吧。向U相通電后，將產生如圖6-B所示的箭頭方向的磁通量。但實際上，U、V、W的電纜都是互相連接著的，因此無法僅向U相通電。在這里，從U相向W相通電，會如圖6-C所示在U、W產生磁通量。合成U和W的兩個磁通量，變為圖6-D所示的較大的磁通量。永磁體將進行旋轉，以使該合成磁通量與中央的永磁體（轉子）的N極方向相同。

圖6-B：BLDC電機的轉動原理

從U相向W向通電。首先，只關注線圈U部分，則發現會產生如箭頭般的磁通量。

圖6-C：BLDC電機的轉動原理

從U相向W相通電，則會產生方向不同的2個磁通量

圖6-D：BLDC電機的轉動原理

從U相向W相通電，可以認為產生了兩個磁通量合成的磁通量。若改變合成磁通量的方向，則永磁體也會隨之改變。配合永磁體的位置，切換U相、V相、W相中通電的相，以變更合成磁通量的方向。連續執行此操作，則合成磁通量將發生旋轉，從而產生磁場， 轉子旋轉。

圖7所示的是通電相與合成磁通量的關系。在該例中，按順序從1-6變更通電模式，則合成磁通量將順時針旋轉。通過變更合成磁通量的方向，控制速度，可控制轉子的旋轉速度。將切換這6種通電模式，控制電機的控制方法稱為“120度通電控制”。

圖7：轉子的永久磁石會像被合成磁通量牽引一樣旋轉，電機的軸也會因此旋轉

3.使用正弦波控制，進行流暢的轉動

接下來，盡管在120度通電控制下合成磁通量的方向會發生旋轉，但其方向不過只有6種。比如將圖7的“通電模式1”改為“通電模式2”，則合成磁通量的方向將變化60度。然后轉子將像被吸引一樣發生旋轉。接下來，從“通電模式2”改為“通電模式3”，則合成磁通量的方向將再次變化60度。轉子將再次被該變化所吸引。這一現象將反復出現。這一動作將變得生硬。有時這動作還會發出噪音。能消除120度通電控制的缺點，實現流暢的轉動的正是“正弦波控制”。在120度通電控制中，合成磁通量被固定在了6個方向。進行控制，使其進行連續的變化。在圖6-C的例子中，U和W生成的磁通量大小相同。但是，若能較好地控制U相、V相、W相，則可讓線圈各自生成大小各異的磁通量，精密地控制合成磁通量的方向。調整U相、V相、W相各相的電流大小，與此同時生成了合成磁通量。通過控制這一磁通量連續生成，可使電機流暢地轉動。

圖8：正弦波控制

正弦波控制可控制3相上的電流，生成合成磁通量，實現流暢的轉動，見圖8。

4.使用逆變器控制電機

那么U、V、W各相上的電流又如何呢？為便于理解，回想120度通電控制的情況看看吧。請再次查看圖7。在通電模式1時，電流從U流至W;在通電模式2時，電流從U流至V?？梢钥闯?，每當有電流流動的線圈的組合發生改變時，合成磁通量箭頭的方向也會發生變化。接下來，請看通電模式4。在該模式下，電流從W流至U，與通電模式1的方向相反。在DC電機中，像這樣的電流方向的轉換是由換向器和刷子的組合來進行了。但是，BLDC電機不使用這樣的接觸型的方法。使用逆變器電路，更改電流的方向。在控制BLDC電機時，一般使用的是逆變器電路。另外逆變器電路可改變各相中的外加電壓，調整電流值。電壓的調整中，常用的是PWM（Pulse Width Modulation=脈沖寬度調制）。PWM是一種通過調整脈沖ON/OFF的時間長度改變電壓的方法，重要的是ON時間和OFF時間的比率（占空比）變化。若ON的比率較高，可以得到和提高電壓相同的效果。若ON的比率下降，則可以得到和電壓降低相同的效果（圖9）。

為了實現PWM，現在還有配備了專用硬件的微電腦。進行正弦波控制時需控制3相的電壓，因此比起只有2相通電的120度通電控制來說，軟件要稍稍復雜一些。逆變器是對驅動BLDC電機必要的電路。交流電機中也使用了逆變器，但可以認為家電產品中所說的“逆變器式”幾乎使用的是BLDC電機。

圖9：PWM輸出與輸出電壓的關系

變更某時間內的ON時間，以變更電壓的有效值。ON時間越長，有效值越接近施加100%電壓時（ON時）的電壓

5.使用位置傳感器的BLDC電機

以上是BLDC電機的控制的概況。BLDC電機通過改變線圈生成的合成磁通量的方向，使轉子的永磁體隨之變化。實際上，在以上的說明中，還有一點沒有提到。即BLDC電機中的傳感器的存在。BLDC電機的控制是配合著轉子（永磁體）的位置（角度）進行的。因此，獲取轉子位置的傳感器是必需的。若沒有傳感器得知永磁體的方向時，轉子可能會轉至意料之外的方向。有傳感器提供信息的話，就不會出現這樣的情況了。表1中顯示的是BLDC電機主要的位置檢測用傳感器的種類。根據控制方式的不同，需要的傳感器也是不同的。在120度通電控制中，為判斷要對哪個相通電，配備了可每60度輸入一次信號的霍爾效應傳感器。另一方面，對于精密控制合成磁通量的“矢量控制”（在下一項中說明）來說，轉角傳感器或光電編碼器等高精度傳感器較為有效。

通過使用這些傳感器可以檢測出位置，但也會帶來一些缺點。傳感器防塵能力較弱，而且維護也是不可或缺的?？墒褂玫臏囟确秶矔s小。使用傳感器或為此增加配線都會造成成本的上升，而且高精度傳感器本身就價格高昂。于是，“無傳感器”這一方式登場了。它不使用位置檢測用傳感器，以此控制成本，且不需要傳感器相關的維護。但此次為了說明原理，因此假定已從位置傳感器獲得了信息來吧。

表1：位置檢測專用傳感器的種類及特征

傳感器種類	主要用途	特征
霍爾效應傳感器	120度通電控制	每60度獲取一次信號。價格較低。不耐熱。
光電編碼器	正弦波控制、矢量控制	有增量型（可得知原位置開始的移動距離）和絕對型（可得知當前位置的角度）兩種。分辨率高，但防塵埃能力較弱。
轉角傳感器	正弦波控制、矢量控制	分辨率高。即使在牢固的惡劣環境下也可使用。

 

6.通過矢量控制時刻保持高效率

正弦波控制為3相通電，流暢地改變合成磁通量的方向，因此轉子將流暢地旋轉。120度通電控制切換了U相、V相、W相中的2相，以此來使電機轉動，而正弦波控制則需要精確地控制3相的電流。而且控制的值是時刻變化的交流值，因此，控制變得更為困難。

在這里登場的便是矢量控制了。矢量控制可通過坐標變換，把3相的交流值作為2相的直流值進行計算，因此可簡化控制。但是，矢量控制計算需要高分辨率下的轉子的位置信息。位置檢測有兩種方法，即使用光電編碼器或轉角傳感器等位置傳感器的方法，以及根據各相的電流值進行推算的無傳感器方法。通過該坐標變換可直接控制扭矩（旋轉力）的相關電流值，從而實現沒有多余電流的高效控制。

但是，矢量控制中需要進行使用三角函數的坐標變換，或復雜的計算處理。因此，大多情況下都會使用計算能力較強的微電腦作為控制用微電腦，比如配備了FPU（浮點運算器）的微電腦等。

7.   基于P1C18F的控制電路框圖

8.   電機參數選擇

（1）反電動勢的定義

BLDC 電機轉動時，每個繞組都會產生叫做反電動勢（反電動勢）的電壓，根據楞次定律，其方向與提供給繞組的主電壓相反。這一反電動勢的極性與勵磁電壓相反。反電動勢主要取決于三個因素：轉子角速度、轉子磁體產生的磁場和定子繞組的匝數。

公式 1：反電動勢 =(E) ∝ NlrBω  其中：N 是每相繞組的匝數，l 是轉子的長度，r 是轉子的內徑，B 是轉子磁場密度，ω是電機的角速度。

（2）峰值轉矩（TP）要求

該應用所需的峰值（或者說最大值）轉矩可以通過將負載轉矩（TL）、慣性轉矩（TJ）和克服摩擦所需的轉矩（TF）相加得到。還有一些因素會對峰值轉矩的總體要求有影響。例如，氣隙中的空氣電阻造成的風阻損失。考慮因素的具體影響是很復雜的。因此，經驗告訴我們，計算轉矩時要留出 20% 的安全裕度。

公式 2：TP = (TL + TJ + TF) *1.2，慣性轉矩（TJ）是將負載從靜止加速，或者從低速加速到高速所需的轉矩。這可以通過將包括轉矩慣量在內的負載慣量和負載加速度相乘而算出。

公式 3：TJ = (JL + M) * α ，其中：JL+ M 是負載與轉子慣量之和，α 是所需加速度。連接到電機軸上的機械系統決定了負載轉矩和摩擦轉矩。

RMS 轉矩要求 （TRMS）

均方根 （Root MeanSquare， RMS）轉矩可粗略地理解為該應用所需的平均連續轉矩。這取決于許多因素。峰值轉矩（TP）、負載轉矩 （TL）、慣性轉矩 （TJ）、 摩擦轉矩 （TF）和加速、減速及起動次數。以下公式給出了典型應用所需的 RMS 轉矩，其中 TA 是 加速時間， TR 是起動時間，而 TD 是減速時間。

公式 4：TRMS = √ [{TP2TA + (TL + TF)2 TR + (TJ – TL –TF)2 TD}/(TA + TR + TD)]