无刷电机及其控制

普通直流电机

通常情况下，最基本的电机是“DC电机（有刷电机）”。它是一种在磁场中放置线圈，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。这种电机中有个叫"换向器"的部分是靠"电刷"实现的，"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。换向器和电刷是普通DC电机工作不可或缺的结构。其主要工作原理如下：



何为直流无刷电机

顾名思义，直流无刷电机(Brushless DC Motor，简称BLDC)是一种不使用机械换向触头(碳刷)的直流电机,而是通过电子控制器实现换向取代传统带碳刷的直流电机，所以又被称为电子式可调速直流电动机或电子式换向直流电机。

我们日常见到比较多的无刷电机一般是定子在内，转子在外（外壳旋转），比如无人机电机，电吹风，散热器风扇等等。一些大功率的无刷电机转子和定子的位置结构可能就会反过来设计，这种设计在外观上就和普通电机相似了。但不管结构是怎么样的，无刷电机都是定子线圈，转子永磁，这个也是辨别它与有刷电机的一个特征。


外转子结构

内转子结构无刷电机工作原理

BLDC电机中的“BL”即意为“无刷”，也就是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。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。

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。其主要原理如下：



当然你可能会问啥时候改变电流方向？这就需要使用到一定的反馈机制了，一般最容易做的就是使用一些霍尔器件来检测磁极确定转子旋转位置，霍尔器件的信号输出传入控制器，控制器再对电流进行换向处理。这种方法也被称为有感控制，其特点是简单，但它受环境影响较大。相对应的就会有无传感器控制法，所以有些无刷电机会采用反电动势的方法来检测转子位置，这种方法相对复杂但环境适应性强，当然还有其他的一些反馈机制来控制电流转向，有兴趣的朋友可以做更深入的研究。
无刷电机特点

无刷电机的主要特点包括:

转子上设置永磁体,不需要碳刷和整流子组件,转子结构简单。

定子采用三相绕组,通过电子换向设备按一定顺序通入不同相电流,在转子上产生旋转磁场。

转子中的永磁体受旋转磁场作用,带动转子转动。

常用位置传感器(通常为霍尔传感器)反馈转子位置,用于精确控制定子电流方向（除霍尔传感器外也还有其他反馈方式）。

没有机械碳刷,减少机械摩擦和接触火花,提高效率,延长使用寿命。

可准确控制转速,调速范围宽,应用灵活。

无刷电机控制原理

一般情况下单相和三相的这两种无刷电机在日常电器产品中使用使用比较多。这两种结构的无刷电机底层原理相同，但控制方式稍有不同。


单相与三相无刷电机示意
单相无刷电机内部所有绕组由一根线完成，各绕组之间的电流方向不同，在适当位置和时机改变其电流方向就能实现电机转动控制。这种结构一般使用4个mos管就可以控制。使用具备H桥功能的芯片再加以反馈辅助信号就可以像控制普通电机一样控制它了，这种结构的控制方式相对简单，所以在散热器风扇等产品中应用相对比较广泛。


单相无刷电机控制示意图
和单相结构不同的三相无刷电机内部绕组被分为三组，表面上它是三组独立的绕组，但是其内部实际还是相互联通的。相比与单相结构，这种结构的电机在速度控制与整体噪音方面更有优势，所以这种结构的无刷电机使用范围更广。无刷电机内部通常被简化为如下所示的星型结构：


无刷电机的星型结构
控制三相无刷电机通常需要6个mos管，在合适的时机（由反馈信号给予）切换电路导通方向从而驱动转子旋转。


三相无刷电机控制示意图
无刷电机绕组导通与旋转控制示意图如下：



我们再结合控制信号以更好的辨识无刷电机运动原理：



根据上图可以得知，在实际场景下，无刷电机在电流换向时或多或少都会有一些抖动，一般情况下如果使用PWM方波驱动电机容易产生抖动和噪音，所以现在更合理的做法是使用正弦信号来驱动，这样可以使得电机运行更平稳，耗能更低。



无刷电机控制器

无刷电机控制器是驱动无刷电机的必备工具，它是一种电子调速器，通过PWM驱动并控制无刷电机的转速与方向，我们一般将它简称为电调。市面上无刷电机控制器品牌非常多，很多成熟产品价格也比较便宜了。另外，无刷电机作为一种在电子爱好者群体中广泛受欢迎的器件，很多人都设计过自己量身定制的一些驱动电路，并且也有非常多的人将自己设计的电路及控制程序发布在开源社区，所以网上也有非常多的开源电调。这其中比较成熟和受欢迎的有VESC和BLHeli 。网上一些在售的成熟产品也有参考它们的设计，兴趣的朋友可以自行了解相关资料。

推荐学习链接：

VESC---https://vedder.se/

VESC

BLHeli---https://www.rcgroups.com/forums/showthread.php?2136895-BLHeli-for-Atmel-and-Silabs-united-by-BLHeliSuite

BLHeli总结

无刷电机具备很多优异的性能，目前它的应用已经非常广泛,例如无人机、电动工具、电动汽车、风扇等设备中都需要用到无刷电机。它取代了传统的带碳刷的直流电机,成为现代电机中的重要组成部分。并且随着技术的革新，以后可能还会有更多产品应用到无刷电机，所以对于想从事相关控制产品研发的同学来说学习一些相关的控制原理也是必须的，但是使用时需要格外小心：无刷电机转速远远高于普通电机，调试时需谨慎，注意人身安全！