普通直流電機(jī)

通常情況下，最基本的電機(jī)是“DC電機(jī)（有刷電機(jī)）”。它是一種在磁場(chǎng)中放置線圈，通過(guò)流動(dòng)的電流，線圈會(huì)被一側(cè)的磁極排斥，同時(shí)被另一側(cè)磁極所吸引，在這種作用下不斷旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中令通向線圈中的電流反向流動(dòng)，使其持續(xù)旋轉(zhuǎn)。這種電機(jī)中有個(gè)叫'換向器'的部分是靠'電刷'實(shí)現(xiàn)的，'電刷'的位置在'轉(zhuǎn)向器'上方，隨著旋轉(zhuǎn)不斷移動(dòng)。通過(guò)改變電刷的位置，可使電流方向發(fā)生變化。換向器和電刷是普通DC電機(jī)工作不可或缺的結(jié)構(gòu)。其主要工作原理如下：

何為直流無(wú)刷電機(jī)

顧名思義，直流無(wú)刷電機(jī)(Brushless DC Motor，簡(jiǎn)稱(chēng)BLDC)是一種不使用機(jī)械換向觸頭(碳刷)的直流電機(jī),而是通過(guò)電子控制器實(shí)現(xiàn)換向取代傳統(tǒng)帶碳刷的直流電機(jī)，所以又被稱(chēng)為電子式可調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)或電子式換向直流電機(jī)。

我們?nèi)粘Ｒ?jiàn)到比較多的無(wú)刷電機(jī)一般是定子在內(nèi)，轉(zhuǎn)子在外（外殼旋轉(zhuǎn)），比如無(wú)人機(jī)電機(jī)，電吹風(fēng)，散熱器風(fēng)扇等等。一些大功率的無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子的位置結(jié)構(gòu)可能就會(huì)反過(guò)來(lái)設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)在外觀上就和普通電機(jī)相似了。但不管結(jié)構(gòu)是怎么樣的，無(wú)刷電機(jī)都是定子線圈，轉(zhuǎn)子永磁，這個(gè)也是辨別它與有刷電機(jī)的一個(gè)特征。

無(wú)刷電機(jī)工作原理

BLDC電機(jī)中的“BL”即意為“無(wú)刷”，也就是DC電機(jī)（有刷電機(jī)）中的“電刷”沒(méi)有了。電刷在DC電機(jī)（有刷電機(jī)）里扮演的角色是通過(guò)換向器向轉(zhuǎn)子里的線圈通電。BLDC電動(dòng)機(jī)電機(jī)采用永磁體來(lái)做轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子里是沒(méi)有線圈的。由于轉(zhuǎn)子里沒(méi)有線圈，所以不需要用于通電的換向器和電刷。取而代之的是作為定子的線圈。

DC電機(jī)（有刷電機(jī)）中被固定的永磁體所制造出的磁場(chǎng)是不會(huì)動(dòng)的，通過(guò)控制線圈（轉(zhuǎn)子）在其內(nèi)部產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)旋轉(zhuǎn)。要通過(guò)改變電壓來(lái)改變旋轉(zhuǎn)數(shù)。BLDC電機(jī)的轉(zhuǎn)子是永磁體，通過(guò)改變周?chē)木€圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。通過(guò)控制通向線圈的電流方向和大小來(lái)控制轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。其主要原理如下：

當(dāng)然你可能會(huì)問(wèn)啥時(shí)候改變電流方向？這就需要使用到一定的反饋機(jī)制了，一般最容易做的就是使用一些霍爾器件來(lái)檢測(cè)磁極確定轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)位置，霍爾器件的信號(hào)輸出傳入控制器，控制器再對(duì)電流進(jìn)行換向處理。這種方法也被稱(chēng)為有感控制，其特點(diǎn)是簡(jiǎn)單，但它受環(huán)境影響較大。相對(duì)應(yīng)的就會(huì)有無(wú)傳感器控制法，所以有些無(wú)刷電機(jī)會(huì)采用反電動(dòng)勢(shì)的方法來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，這種方法相對(duì)復(fù)雜但環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，當(dāng)然還有其他的一些反饋機(jī)制來(lái)控制電流轉(zhuǎn)向，有興趣的朋友可以做更深入的研究。

無(wú)刷電機(jī)特點(diǎn)

無(wú)刷電機(jī)的主要特點(diǎn)包括:

• 轉(zhuǎn)子上設(shè)置永磁體,不需要碳刷和整流子組件,轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

• 定子采用三相繞組,通過(guò)電子換向設(shè)備按一定順序通入不同相電流,在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。

• 轉(zhuǎn)子中的永磁體受旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用,帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。

• 常用位置傳感器(通常為霍爾傳感器)反饋轉(zhuǎn)子位置,用于精確控制定子電流方向（除霍爾傳感器外也還有其他反饋方式）。

• 沒(méi)有機(jī)械碳刷,減少機(jī)械摩擦和接觸火花,提高效率,延長(zhǎng)使用壽命。

• 可準(zhǔn)確控制轉(zhuǎn)速,調(diào)速范圍寬,應(yīng)用靈活。

無(wú)刷電機(jī)控制原理

一般情況下單相和三相的這兩種無(wú)刷電機(jī)在日常電器產(chǎn)品中使用使用比較多。這兩種結(jié)構(gòu)的無(wú)刷電機(jī)底層原理相同，但控制方式稍有不同。

單相無(wú)刷電機(jī)內(nèi)部所有繞組由一根線完成，各繞組之間的電流方向不同，在適當(dāng)位置和時(shí)機(jī)改變其電流方向就能實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制。這種結(jié)構(gòu)一般使用4個(gè)mos管就可以控制。使用具備H橋功能的芯片再加以反饋輔助信號(hào)就可以像控制普通電機(jī)一樣控制它了，這種結(jié)構(gòu)的控制方式相對(duì)簡(jiǎn)單，所以在散熱器風(fēng)扇等產(chǎn)品中應(yīng)用相對(duì)比較廣泛。

和單相結(jié)構(gòu)不同的三相無(wú)刷電機(jī)內(nèi)部繞組被分為三組，表面上它是三組獨(dú)立的繞組，但是其內(nèi)部實(shí)際還是相互聯(lián)通的。相比與單相結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的電機(jī)在速度控制與整體噪音方面更有優(yōu)勢(shì)，所以這種結(jié)構(gòu)的無(wú)刷電機(jī)使用范圍更廣。無(wú)刷電機(jī)內(nèi)部通常被簡(jiǎn)化為如下所示的星型結(jié)構(gòu)：

控制三相無(wú)刷電機(jī)通常需要6個(gè)mos管，在合適的時(shí)機(jī)（由反饋信號(hào)給予）切換電路導(dǎo)通方向從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

無(wú)刷電機(jī)繞組導(dǎo)通與旋轉(zhuǎn)控制示意圖如下：

我們?cè)俳Y(jié)合控制信號(hào)以更好的辨識(shí)無(wú)刷電機(jī)運(yùn)動(dòng)原理：

根據(jù)上圖可以得知，在實(shí)際場(chǎng)景下，無(wú)刷電機(jī)在電流換向時(shí)或多或少都會(huì)有一些抖動(dòng)，一般情況下如果使用PWM方波驅(qū)動(dòng)電機(jī)容易產(chǎn)生抖動(dòng)和噪音，所以現(xiàn)在更合理的做法是使用正弦信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)，這樣可以使得電機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn)，耗能更低。

無(wú)刷電機(jī)控制器

無(wú)刷電機(jī)控制器是驅(qū)動(dòng)無(wú)刷電機(jī)的必備工具，它是一種電子調(diào)速器，通過(guò)PWM驅(qū)動(dòng)并控制無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速與方向，我們一般將它簡(jiǎn)稱(chēng)為電調(diào)。市面上無(wú)刷電機(jī)控制器品牌非常多，很多成熟產(chǎn)品價(jià)格也比較便宜了。另外，無(wú)刷電機(jī)作為一種在電子愛(ài)好者群體中廣泛受歡迎的器件，很多人都設(shè)計(jì)過(guò)自己量身定制的一些驅(qū)動(dòng)電路，并且也有非常多的人將自己設(shè)計(jì)的電路及控制程序發(fā)布在開(kāi)源社區(qū)，所以網(wǎng)上也有非常多的開(kāi)源電調(diào)。這其中比較成熟和受歡迎的有VESC和BLHeli 。網(wǎng)上一些在售的成熟產(chǎn)品也有參考它們的設(shè)計(jì)，興趣的朋友可以自行了解相關(guān)資料。

推薦學(xué)習(xí)鏈接：

• VESC---https:///

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

總結(jié)

無(wú)刷電機(jī)具備很多優(yōu)異的性能，目前它的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛,例如無(wú)人機(jī)、電動(dòng)工具、電動(dòng)汽車(chē)、風(fēng)扇等設(shè)備中都需要用到無(wú)刷電機(jī)。它取代了傳統(tǒng)的帶碳刷的直流電機(jī),成為現(xiàn)代電機(jī)中的重要組成部分。并且隨著技術(shù)的革新，以后可能還會(huì)有更多產(chǎn)品應(yīng)用到無(wú)刷電機(jī)，所以對(duì)于想從事相關(guān)控制產(chǎn)品研發(fā)的同學(xué)來(lái)說(shuō)學(xué)習(xí)一些相關(guān)的控制原理也是必須的，但是使用時(shí)需要格外小心：無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通電機(jī)，調(diào)試時(shí)需謹(jǐn)慎，注意人身安全！