掌握基礎(chǔ)原理，對(duì)于從三相無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)中榨取更高效率、更平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)以及更大扭矩至關(guān)重要。

無(wú)刷直流電機(jī)（也常簡(jiǎn)稱(chēng)無(wú)刷電機(jī)或 BLDC 電機(jī)）廣泛應(yīng)用于高可靠性、高性能運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)合。它不使用會(huì)產(chǎn)生粉塵并磨損的機(jī)械電刷，而是采用電子換向。無(wú)刷電機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于高扭矩輸出、高轉(zhuǎn)速以及無(wú)刷運(yùn)行；但其主要缺點(diǎn)是成本高于有刷直流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)。

無(wú)刷電機(jī)主要分為兩大類(lèi)：旋轉(zhuǎn)式無(wú)刷電機(jī)與直線(xiàn)式無(wú)刷電機(jī)。旋轉(zhuǎn)式電機(jī)還可進(jìn)一步細(xì)分，主要按內(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(jì)來(lái)區(qū)分。內(nèi)轉(zhuǎn)子無(wú)刷電機(jī)又分為內(nèi)置永磁（IPM）型與表貼永磁型。最后，鐵芯結(jié)構(gòu)還可分為有槽無(wú)刷電機(jī)與無(wú)槽無(wú)刷電機(jī)。

這些結(jié)構(gòu)差異大多對(duì)電機(jī)控制方法影響不大，但會(huì)顯著影響關(guān)鍵性能指標(biāo)，包括扭矩重量比、運(yùn)行平順性、最大加速度與最高轉(zhuǎn)速。

三相無(wú)刷電機(jī)在定位電機(jī)選型中處于什么位置？

圖 1 通過(guò)兩張圖表對(duì)比了各類(lèi)電機(jī)在兩項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)上的表現(xiàn)：功率重量比與扭矩重量比。對(duì)特定應(yīng)用而言，通常其中一項(xiàng)指標(biāo)更為關(guān)鍵，而二者實(shí)際上相互關(guān)聯(lián)，因?yàn)楣β实亩x就是扭矩乘以轉(zhuǎn)速。

圖 1 展示了有刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)與無(wú)刷直流電機(jī)的扭矩重量比和功率重量比對(duì)比。

無(wú)刷直流電機(jī)中的磁路原理

理解電機(jī)內(nèi)部工作方式與扭矩產(chǎn)生機(jī)理，是掌握各類(lèi)無(wú)刷電機(jī)控制技術(shù)的基礎(chǔ)。圖 2 為沿電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸觀察并投影至 XY 平面的無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子磁場(chǎng)示意圖。

圖 2 為三相無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子與定子磁場(chǎng)矢量。

扭矩由轉(zhuǎn)子永磁體與定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用生成。定子各相繞組（圖 2 中標(biāo)為 A、B、C 相）各自產(chǎn)生磁場(chǎng)矢量，彼此相差 120°，這些獨(dú)立矢量被稱(chēng)為繞組電流空間矢量。

由于共用同一鐵芯，定子磁場(chǎng)的合成方向可視為三個(gè)繞組矢量之和，這一合成矢量稱(chēng)為定子電流空間矢量。

圖 2 中心的綠色磁體為轉(zhuǎn)子，可看作一個(gè)簡(jiǎn)單的條形磁鐵，具有 N 極與 S 極。根據(jù)定子繞組的驅(qū)動(dòng)方式，產(chǎn)生的力可與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向垂直，也可與之平行，這兩種力分別稱(chēng)為交軸（Q）力與直軸（D）力。

定子繞組產(chǎn)生的三個(gè)磁場(chǎng)如何合成為單一的定子電流空間矢量？答案是：定子合成矢量的方向與幅值等于各相繞組電流空間矢量之和（圖 3）。Ia、Ib、Ic 分別為 A、B、C 相繞組中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。

圖 3 為 A、B、C 三相繞組矢量疊加形成定子電流空間矢量。

這三個(gè)互差 120° 的磁矢量因繞組電流不同而幅值各異。例如：Ia = 3.4 A，Ib = 1.0 A，Ic = 4.4 A。它們?cè)?XY 平面內(nèi)首尾相接，最終形成圖 3 中綠色所示的定子合成磁矢量。

當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與定子磁場(chǎng)夾角為 **90°（垂直）** 時(shí)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的交軸（Q）力最大，不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的直軸（D）力為零。反之，若二者平行，則 Q 力為零，D 力最大。只有垂直的 Q 力能產(chǎn)生有效旋轉(zhuǎn)扭矩，平行的 D 力僅會(huì)擠壓轉(zhuǎn)子，不產(chǎn)生任何旋轉(zhuǎn)扭矩。

為獲得最大扭矩，控制器會(huì)調(diào)整定子矢量角度，使其始終與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)角度垂直。這一過(guò)程稱(chēng)為換向：控制器通過(guò)電機(jī)位置傳感器獲取轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)實(shí)時(shí)調(diào)整定子磁場(chǎng)角度。后續(xù)文章將詳細(xì)講解換向相關(guān)內(nèi)容。

電機(jī)極對(duì)數(shù)在無(wú)刷電機(jī)中的重要性

無(wú)刷電機(jī)結(jié)構(gòu)的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是電機(jī)極數(shù)。無(wú)刷電機(jī)的繞組設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)：

• 機(jī)械旋轉(zhuǎn) 360° 對(duì)應(yīng)電角度旋轉(zhuǎn) 360°；

• 或?qū)?yīng)兩次 360° 電角度旋轉(zhuǎn)；

• 甚至對(duì)應(yīng)多次電角度旋轉(zhuǎn)。

此處 360° 電角度指定子磁場(chǎng)角度完成一周旋轉(zhuǎn)。

機(jī)械旋轉(zhuǎn)一周對(duì)應(yīng)定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周的為兩極電機(jī)（一對(duì) N/S 極），也稱(chēng)為一對(duì)極電機(jī)。機(jī)械一周對(duì)應(yīng)兩次電角度周期的為四極電機(jī)。無(wú)刷電機(jī)極數(shù)通常為 2、4、6、12 等偶數(shù)，極對(duì)數(shù)始終為極數(shù)的一半。

不同極數(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

總體而言：極數(shù)越高，扭矩越大，但最高轉(zhuǎn)速越低。在其他條件相同的情況下，這是極數(shù)差異帶來(lái)的主要性能影響。

旋轉(zhuǎn)式與直線(xiàn)式無(wú)刷電機(jī)的區(qū)別

前文主要討論旋轉(zhuǎn)電機(jī)，但上述所有原理同樣適用于直線(xiàn)無(wú)刷電機(jī)。

直線(xiàn)無(wú)刷電機(jī)結(jié)構(gòu)如何？圖 4 對(duì)比了旋轉(zhuǎn)電機(jī)與直線(xiàn)電機(jī)。直線(xiàn)無(wú)刷電機(jī)本質(zhì)上就是 “展開(kāi)” 的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，二者均有帶線(xiàn)圈的定子和帶永磁體的轉(zhuǎn)子。

圖 4 為旋轉(zhuǎn)電機(jī)與直線(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)布局對(duì)比。

注：在直線(xiàn)電機(jī)中 “轉(zhuǎn)子” 這一叫法并不準(zhǔn)確，因?yàn)樗⒉恍D(zhuǎn)，但目前行業(yè)內(nèi)仍通用這一術(shù)語(yǔ)。

從定子角度控制來(lái)看，直線(xiàn)電機(jī)與旋轉(zhuǎn)無(wú)刷電機(jī)原理一致，均通過(guò)換向控制定子繞組矢量角度，以最大化有效 Q 力、最小化無(wú)效 D 力。

直線(xiàn)無(wú)刷電機(jī)有兩種典型結(jié)構(gòu)：

1. 定子（帶線(xiàn)圈）固定，轉(zhuǎn)子（帶磁體）運(yùn)動(dòng)；

2. 定子運(yùn)動(dòng)，磁軌轉(zhuǎn)子固定（圖 5、圖 6）。

直線(xiàn)無(wú)刷電機(jī)還有一種桿式結(jié)構(gòu)：磁棒內(nèi)置交替 N/S 極磁體作為轉(zhuǎn)子，可動(dòng)子（定子）沿桿運(yùn)動(dòng)（圖 7）。

圖5

圖6

圖7

無(wú)論哪種結(jié)構(gòu)，直線(xiàn)無(wú)刷電機(jī)都適用于高可靠性、快速響應(yīng)的應(yīng)用。雖然比滾珠絲杠、齒輪等旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)直線(xiàn)執(zhí)行器昂貴得多，但其定位精度顯著更高，因?yàn)闄C(jī)械轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)不可避免會(huì)帶來(lái)間隙與柔性變形，降低定位精度。

推動(dòng)直線(xiàn)無(wú)刷電機(jī)普及的因素之一是高分辨率編碼器成本下降。正弦 / 余弦編碼器、BiSS-C 串行編碼器等新型編碼器結(jié)合先進(jìn)信號(hào)處理電路，可讓直線(xiàn)平臺(tái)與 XY 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)納米級(jí)甚至皮米級(jí)定位分辨率。

無(wú)刷電機(jī)控制器的基本組成

在對(duì)無(wú)刷電機(jī)完成整體介紹后，我們進(jìn)入本系列核心主題：如何控制無(wú)刷電機(jī)。

無(wú)刷電機(jī)屬于多相器件，定子中多組線(xiàn)圈依次通電以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。圖 8 為三相無(wú)刷電機(jī)控制器的整體架構(gòu)。

圖 8 為無(wú)刷控制系統(tǒng)的控制流程圖，包含軌跡生成、換向、電流控制與功率放大。

大多數(shù)無(wú)刷電機(jī)控制器包含以下核心模塊：

1. 軌跡規(guī)劃：可由控制器內(nèi)部生成或通過(guò)網(wǎng)絡(luò)外部給定，運(yùn)動(dòng)軌跡依應(yīng)用而定，直接影響系統(tǒng)吞吐量與機(jī)械振動(dòng)。

2. 位置 / 速度閉環(huán)：位置控制應(yīng)用使用位置環(huán)，減小指令位置與實(shí)際位置誤差；僅需速度控制的應(yīng)用則使用速度環(huán)。二者輸出均為目標(biāo)電流指令，對(duì)應(yīng)電機(jī)目標(biāo)扭矩。

3. 換向：將總目標(biāo)電流分配至三相繞組，不同換向方式取決于傳感器類(lèi)型、效率與平順性要求。

4. 電流閉環(huán)：檢測(cè)每相繞組實(shí)際電流，調(diào)節(jié)輸出電壓使電流跟蹤指令。

5. 功率放大：向繞組施加電壓指令?，F(xiàn)代放大器多采用基于 PWM 的開(kāi)關(guān)橋結(jié)構(gòu)，效率高且易于控制；在對(duì)電磁干擾（EMI）要求極低的場(chǎng)合，仍會(huì)使用線(xiàn)性功放。

該架構(gòu)存在多種變體：部分控制器不使用主動(dòng)電流控制，非定位場(chǎng)合可完全省略位置傳感器，即無(wú)傳感器控制。

本系列下一部分將詳細(xì)拆解上述運(yùn)動(dòng)控制器各模塊的工作原理。