一、概述

从简单的钻机到复杂的工业机器人，许多机器设备都使用无刷直流电机将电能转换为旋转运动。无刷直流电机也称为BLDC电机，相比有刷直流电机具备诸多优势。BLDC电机更高效，所需的维护更少，因而已在许多应用中取代了有刷电机。

图一：电磁场和永磁体磁场示意图

两类电机的运行原理相似，均由永磁体和电磁体的磁极吸引和排斥产生旋转运动。但这些电机的控制方式却大不相同。BLDC需要复杂的控制器才能将单个直流电源转换为三相电压，而有刷电机可以通过调节直流电压来控制。

图二：有刷电机和直流无刷电机对比

二、直流电机的类型

1、传统有刷直流电机

如下图所示，在有刷直流电机中，直流电流通过转子的线圈绕组，使电磁体产生极性。这些转子的磁极与固定永磁体（称为定子）的磁极相互作用，从而使转子旋转。

• 转子每转动半圈之后，需要切换线圈绕组中的电流极性，以对调转子磁极， 使电机保持旋转状态。

• 这种电流极性的切换被称为换相。

• 换相通过机械方式实现：转子旋转的每个半圈中，电触头（称为电刷）与转子上的换相器连成一个回路。

• 这种物理接触会导致电刷随着时间推移而磨损，从而导致电机无法工作。

图三：有刷电机工作原理示意图

2、无刷直流电机

BLDC电机采用电子换相来代替机械换相，克服了有刷电机的上述缺陷。为了更好地理解这一点，有必要进一步了解BLDC电机结构。BLDC 电机与有刷电机构造相反，其永磁体安装在转子中，而线圈绕组则成为定子。

图四：无刷直流电机工作原理示意图

电机的磁体布局不尽相同，定子可能具有不同数量的绕组，而转子可能具有多个极对，如下图所示。

图五：无刷直流电机极对数示意图

3、仿真 BLDC 电机以观察反电动势曲线

BLDC 电机和 PMSM的结构类似，其永磁体均置于转子，并被定义为同步电机。在同步电机中，转子与定子磁场同步，即转子的旋转速度与定子磁场相同。

它们的主要区别在于其反电动势（反 EMF）的形状。电机在旋转时充当发电机。也就是说，定子中产生感应电压，与电机的驱动电压反向。反电动势是电机的重要特征，因为其形状决定了对电机进行最优控制所需的算法。

BLDC电机的设计使其反电动势呈梯形，因此一般采用梯形换相控制。BLDC 梯形反电动势 采用梯形换相控制。

图六：无刷直流电机反电动势波形示意图

PMSM 的反电动势呈正弦波形，因此采用磁场定向控制。PMSM 正弦反电动势采用磁场定向控制

图七：PMSM反电动势波形示意图

在电机控制领域，PMSM 和 BLDC 这两个术语有时会被混用，这可能导致对其反电动势曲线的混淆。本文将 BLDC 电机严格限定为具有梯形反电动势的电机。

图八：BLDC电机仿真查看反电动势波形

图中使用Simulink仿真的是带开路端子的单极对BLDC，即线圈中没有电流通过。如果施加扭矩带动转子，电机将充当发电机。您可以测量 A 相电压随时间变化的情况，从而观察电机的反电动势形状。电压波形显示 BLDC电机的反电动势呈梯形，其中部分区域电压持平。

4、六步换相

为了更好地理解施加外部电压时 BLDC 电机的行为，我们将使用前面介绍的配置，其中转子由单极对组成，而定子由夹角为 120 度的三个线圈组成。让电流通过线圈，给线圈（此处称为 A 相、B 相和 C 相）通电。转子的北极用红色表示，南极用蓝色表示。

一开始，线圈没有通电，转子处于静止状态。在A相与C相之间施加电压（如下图所示），即会沿虚线产生复合磁场。这使转子开始旋转，从而与定子磁场对齐。

图九：定子磁场产生示意图（虚线）

线圈对共有六种通电方法，如下图所示。每次换相后，定子磁场相应旋转，从而带动转子，使之旋转至图示位置。在下图中，转子角度是相对于水平轴而言的，转子共有六种对齐方式，两两相差 60 度。

图十：线圈通电示意图

也就是说，如果每 60 度以正确的相位执行一次换相，电机将连续旋转，如下图所示。此类控制被称为六步换相或梯形控制。

图十一：六步换相（梯形控制）

此类电机可以包含更多极对，但这就要求更为频繁地换相。为了在合适的时机以正确的相位执行电机换相，控制器需要时刻掌握转子的确切位置，对此通常使用霍尔传感器进行测量。

图十二：不同极对数的电机换相角度示意图

5、电机和扭矩产生

下图中箭头表示相对磁力，箭头粗细表示场强。相同磁极相互排斥，从而使转子逆时针旋转。同时，相反磁极相互吸引，从而在同一方向增加扭矩。

转子完成60度旋转后，发生下一次换相。

图十三：磁场作用示意图

将先前讨论的定子磁场叠加到上图中，可以很明显地看出，在这种换相方式中，转子从不对齐定子磁场（图中的黄色虚线），而是一直在追赶定子磁场。

图十四：定子磁场和转子磁场示意图

在BLDC电机中采用这种方式换相有两个原因。首先，如果允许转子和定子磁场完全对齐，此时产生的扭矩为零，这不利于旋转。其次，磁场夹角为90度时可产生最大扭矩。因此，目标是使该夹角接近90度。

图十五：转子磁场和定子磁场夹角示意图

但在BLDC电机中，采用六步换相无法让夹角始终保持90度，夹角将在60度和120度之间波动，如下图所示。 这是因为梯形控制的性质相对简单。磁场定向控制等更先进的方法可实现定子与转子磁场间90度夹角，以此产生更大的扭矩，该方法常用于之前提到的 PMSM 控制。