無刷直流電機（也稱為無刷電機或 BLDC 電機）廣泛用于高可靠性、高性能運動控制場合。它不使用會產(chǎn)生粉塵并磨損的機械電刷，而是采用電子換相方式工作。BLDC 電機的優(yōu)點是轉(zhuǎn)矩輸出大、轉(zhuǎn)速高、無刷運行；但其主要缺點是成本相對高于有刷直流電機或步進電機。

BLDC 電機主要分為兩大類：旋轉(zhuǎn)式 BLDC 電機和直線式 BLDC 電機。其中旋轉(zhuǎn)電機還可進一步細分，主要根據(jù)內(nèi)轉(zhuǎn)子 / 外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)以及軸向磁通 / 徑向磁通設(shè)計來區(qū)分。內(nèi)轉(zhuǎn)子 BLDC 電機又分為內(nèi)置永磁體（IPM）型和表貼永磁體型。最后，鐵芯結(jié)構(gòu)形式還可將其分為有槽 BLDC 電機和無槽 BLDC 電機。

這些結(jié)構(gòu)差異大多數(shù)對電機控制方法影響很小，但會對關(guān)鍵性能指標(biāo)產(chǎn)生顯著影響，包括轉(zhuǎn)矩重量比、運行平順性、最大加速度和最高轉(zhuǎn)速。

圖 1 該圖表對比了有刷直流電機、步進電機和無刷直流電機的轉(zhuǎn)矩重量比與功率重量比

三相無刷電機在眾多定位類電機中處于什么位置？圖 1 通過兩張圖表對比了不同類型電機在兩項關(guān)鍵性能指標(biāo)上的表現(xiàn)：輸出功率重量比和輸出轉(zhuǎn)矩重量比。對于特定應(yīng)用，通常其中一項指標(biāo)會比另一項更重要。不過二者實際上是相關(guān)的，因為功率的定義就是轉(zhuǎn)矩乘以轉(zhuǎn)速。

無刷直流電機的磁學(xué)原理至關(guān)重要

弄清電機內(nèi)部的工作原理以及無刷電機如何產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，是理解各種 BLDC 控制方法的基礎(chǔ)。圖 2 沿電機旋轉(zhuǎn)軸向下觀察，并將轉(zhuǎn)子和定子磁場投影到 XY 平面上。

圖 2 三相 BLDC 電機的轉(zhuǎn)子與定子磁場矢量

轉(zhuǎn)矩由轉(zhuǎn)子上的永磁體和定子繞組產(chǎn)生的磁場相互作用而生成。定子的每相繞組（圖 2 中標(biāo)記為 A 相、B 相和 C 相繞組）各自產(chǎn)生磁場矢量，彼此之間相差 120° 電角度。這些獨立矢量被稱為繞組電流空間矢量。

由于它們共用同一個鐵芯，定子磁場的合成方向可看作由三個獨立繞組矢量相加得到的單個矢量，這個合成矢量被稱為定子電流空間矢量。

圖 3 A、B、C 三相繞組矢量疊加形成定子電流空間矢量

定子繞組產(chǎn)生的三個磁場如何合成為一個定子電流空間矢量？答案是：定子合成矢量的方向和幅值等于各相繞組電流空間矢量的矢量和（圖 3）。Ia、Ib、Ic 分別是 A 相繞組電流 Ia、B 相繞組電流 Ib、C 相繞組電流 Ic 所產(chǎn)生的磁場。

這三個彼此相差 120° 的磁矢量，因繞組中流過的電流不同而具有不同幅值。上圖示例中，Ia 電流為 3.4A，Ib 為 1.0A，Ic 為 4.4A。它們被繪制在 XY 平面內(nèi)，通過將各矢量 “首尾相連” 得到合成矢量，最終形成圖 3 中綠色所示的定子總磁矢量。

當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場角度與定子磁場角度相互垂直時，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動的Q（轉(zhuǎn)矩）分量達到最大，而不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動的D（直軸）分量為零。反之，如果轉(zhuǎn)子磁場與定子合成磁場平行，則 Q 分量為零，D 分量達到最大。只有垂直的 Q 分量能產(chǎn)生有效的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，平行的 D 分量只會對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生徑向壓力，不產(chǎn)生任何旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。

為產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，控制器會控制定子矢量角度，使其始終與轉(zhuǎn)子磁場角度保持垂直。這一過程稱為換相—— 控制器通過電機上的位置傳感器信號獲取轉(zhuǎn)子位置，從而在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時實時調(diào)整定子磁場角度。關(guān)于換相的更多內(nèi)容將在后續(xù)專門文章中詳細介紹。

BLDC 電機極數(shù)的重要性

BLDC 電機結(jié)構(gòu)的一個關(guān)鍵要素是電機極數(shù)。無刷電機的繞組設(shè)計可以做到：

• 機械旋轉(zhuǎn) 360° 對應(yīng)定子磁場電角度旋轉(zhuǎn) 360°；

• 或?qū)?yīng)兩次電角度 360° 旋轉(zhuǎn)；

• 甚至對應(yīng)多次電角度旋轉(zhuǎn)。

注意，此處 360° 電角度旋轉(zhuǎn)指定子磁場角度完成一圈旋轉(zhuǎn)。

機械旋轉(zhuǎn)一圈對應(yīng)定子磁場旋轉(zhuǎn)一圈的電機為兩極電機（經(jīng)過一對 N、S 極），兩極電機有時也稱為一對極電機。

機械旋轉(zhuǎn)一圈對應(yīng)兩次電角度旋轉(zhuǎn)的為四極電機。

BLDC 電機可以有 2、4、6、12 極或其他偶數(shù)極數(shù)。在所有情況下，極對數(shù) = 極數(shù) ÷ 2。

不同極數(shù)的 BLDC 電機各有什么優(yōu)缺點？總體而言：極數(shù)越高，BLDC 電機輸出轉(zhuǎn)矩越大，但最高轉(zhuǎn)速越低。雖然有許多電機設(shè)計因素會影響這兩項指標(biāo)，但在其他條件相同的情況下，這是極數(shù)不同帶來的主要性能差異。

旋轉(zhuǎn)式與直線式 BLDC 電機的區(qū)別

到目前為止我們只討論了旋轉(zhuǎn)電機，但上述所有原理同樣適用于直線無刷電機。

直線 BLDC 電機是如何構(gòu)造的？圖 4 對比了直線電機與旋轉(zhuǎn)電機的結(jié)構(gòu)。直線無刷直流電機本質(zhì)上就是 “展開鋪平” 的旋轉(zhuǎn)電機。二者都有容納線圈的定子，以及包含永磁體的轉(zhuǎn)子。

圖 4 旋轉(zhuǎn)電機與直線無刷直流電機的結(jié)構(gòu)布局對比

注意：對于直線電機來說，“轉(zhuǎn)子” 這個叫法容易產(chǎn)生歧義，因為它并不旋轉(zhuǎn)。但行業(yè)內(nèi)仍沿用該叫法，因為沒有其他公認的標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語來稱呼直線電機的這一部件。

從設(shè)定定子磁場角度的角度來看，直線電機的控制與旋轉(zhuǎn)無刷電機類似。直線電機同樣通過換相控制定子繞組的矢量角度，以最大化有效 Q 轉(zhuǎn)矩、最小化無效 D 轉(zhuǎn)矩。

直線 BLDC 電機的定子和轉(zhuǎn)子有兩種不同配置方式：一種是定子（帶線圈的部分）固定、轉(zhuǎn)子（帶磁體的部分）運動；另一種則相反，定子運動、轉(zhuǎn)子固定（圖 5、圖 6）。

圖 5 該直線 BLDC 電機中，定子固定，動子沿導(dǎo)軌運動

圖 6 該直線 BLDC 電機采用定子運動、永磁導(dǎo)軌固定的結(jié)構(gòu)

直線 BLDC 電機的 “導(dǎo)軌” 布局還有一種桿式變體。桿內(nèi)包含交替 N/S 取向的磁體，因此充當(dāng)轉(zhuǎn)子。同樣，既可以是轉(zhuǎn)子（桿）運動而定子固定，也可以更常見地采用轉(zhuǎn)子固定、定子在其上移動的方案（圖 7）。

圖 7 這種桿式直線 BLDC 電機具有交替磁極

無論采用哪種結(jié)構(gòu)，直線無刷電機都是要求高可靠性、快速響應(yīng)應(yīng)用的熱門選擇。雖然比將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動的執(zhí)行機構(gòu)（如滾珠絲杠、齒輪齒條等）成本高得多，但其定位精度要高得多。這是因為旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)直線機構(gòu)不可避免地會引入回程間隙和柔性變形，降低最終定位精度。

推動直線 BLDC 電機普及的因素之一是高分辨率編碼器價格變得相對親民。新型編碼器如正余弦編碼器和 BiSS-C 串行編碼器接口已得到廣泛應(yīng)用。結(jié)合先進的信號處理電子電路，直線平臺與 XY 平臺可實現(xiàn)納米級甚至皮米級的超高定位分辨率。

BLDC 電機控制器的基本組成

在完成 BLDC 電機的總體介紹后，我們可以深入本系列核心主題：如何控制無刷電機。

BLDC 電機屬于 “多相” 器件，即通過對定子上多個電機線圈通電來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動。圖 8 展示了三相無刷電機控制器的控制架構(gòu)。

圖 8 該控制流程圖展示了 BLDC 系統(tǒng)的軌跡生成、換相、電流控制及功率放大環(huán)節(jié)

大多數(shù) BLDC 電機控制器都包含幾個基本模塊。首先是軌跡規(guī)劃模塊，軌跡指令可由控制器內(nèi)部生成，也可通過網(wǎng)絡(luò)從外部輸入。運動軌跡的選擇取決于具體應(yīng)用，但它是控制器整體運行的重要環(huán)節(jié)，有助于最大化吞吐量并減小被驅(qū)動機構(gòu)的振動。

對于位置控制應(yīng)用，位置閉環(huán)會生成電流指令，以減小目標(biāo)（指令）位置與實際（檢測）電機位置之間的誤差。部分應(yīng)用僅需要速度控制而非位置控制，此時控制器會使用速度伺服環(huán)代替位置環(huán)。

無論哪種情況，該閉環(huán)的輸出都是目標(biāo)電流指令，可理解為電機需要產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大小。

隨后對電流指令進行換相處理，即將總目標(biāo)電流分配為三相繞組各自的獨立指令。根據(jù)所使用的位置傳感器以及對效率和平順性的要求，存在多種換相方案。

接下來，電流閉環(huán)檢測每相繞組的實際電流，并調(diào)節(jié)施加電壓，使實際電流緊密跟蹤指令電流。

最后，功率放大器將電壓指令施加到各相繞組。如今，大多數(shù)放大器采用基于脈寬調(diào)制（PWM）的開關(guān)橋設(shè)計，因其效率極高且易于控制。但在需要超低電磁干擾（EMI）的電子系統(tǒng)中，仍可能使用線性放大器。

不同 BLDC 電機控制器的架構(gòu)存在明顯差異。例如，部分控制器不采用電機繞組主動電流控制；在非定位類應(yīng)用中，有些控制器完全省去位置傳感器 —— 這種方案稱為無傳感器控制。