直流無(wú)刷電機(jī)，簡(jiǎn)稱無(wú)刷電機(jī)或 BLDC 電機(jī)，廣泛應(yīng)用于高可靠、高性能運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)景。它無(wú)需易產(chǎn)生粉塵、易磨損的機(jī)械電刷，采用電子換相方式工作。無(wú)刷電機(jī)具備輸出扭矩大、轉(zhuǎn)速高、無(wú)電刷磨損等優(yōu)勢(shì)，但相比有刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)，成本更高。

無(wú)刷電機(jī)主要分為旋轉(zhuǎn)式無(wú)刷電機(jī)與直線式無(wú)刷電機(jī)兩大類。

旋轉(zhuǎn)電機(jī)還可進(jìn)一步細(xì)分：內(nèi)轉(zhuǎn)子 / 外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、軸向磁通 / 徑向磁通設(shè)計(jì)；內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)又分為內(nèi)置永磁體（IPM）與表貼式永磁電機(jī)；按鐵芯結(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)。

上述多數(shù)結(jié)構(gòu)差異對(duì)電機(jī)控制算法影響較小，但會(huì)顯著改變扭矩重量比、運(yùn)行平順性、最大加速度、極限轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵性能指標(biāo)。

三相無(wú)刷電機(jī)在各類定位電機(jī)中的性能定位

圖 1 通過兩組關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)比不同電機(jī)：功率重量比、扭矩重量比。

實(shí)際應(yīng)用中二者往往各有側(cè)重，但本質(zhì)相關(guān)：功率 = 扭矩 × 轉(zhuǎn)速。

無(wú)刷電機(jī)磁路原理是控制基礎(chǔ)

搞懂電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)變化、扭矩生成機(jī)制，是理解各類無(wú)刷控制算法的前提。

圖 2 沿電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸向俯視，將轉(zhuǎn)子、定子磁場(chǎng)投射到 XY 平面展示磁場(chǎng)分布。

轉(zhuǎn)子永磁體與定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，從而輸出扭矩。

定子 A、B、C 三相繞組各自產(chǎn)生磁場(chǎng)矢量，彼此相位相差 120°，稱為繞組電流空間矢量。

所有繞組共用同一鐵芯，三相矢量疊加后形成合成定子磁場(chǎng)總矢量，即定子電流空間矢量。

圖 2 中心綠色磁極即為轉(zhuǎn)子，可等效為一根南北極磁鐵。根據(jù)定子繞組驅(qū)動(dòng)方式不同，會(huì)產(chǎn)生兩種作用力：

• 正交力（Q 軸）：與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)垂直，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動(dòng)力

• 直軸力（D 軸）：與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)平行，只擠壓轉(zhuǎn)子，不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩

三相磁場(chǎng)矢量互差 120°，因繞組電流不同幅值各異，首尾相加合成最終定子總磁場(chǎng)矢量。

當(dāng)定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互垂直時(shí)，Q 軸旋轉(zhuǎn)扭矩達(dá)到最大，D 軸向力為 0；

當(dāng)二者相互平行時(shí)，Q 軸扭矩為 0，D 軸向擠壓力最大。

只有垂直正交的 Q 力，才能輸出有效轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩。

為獲得最大扭矩，控制器會(huì)實(shí)時(shí)調(diào)整定子磁場(chǎng)角度，使其始終與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)垂直。這個(gè)過程就是電子換相?？刂破魍ㄟ^電機(jī)位置傳感器獲取轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)角度，跟隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)同步調(diào)節(jié)定子磁場(chǎng)方向。后續(xù)文章將詳細(xì)講解換相技術(shù)。

電機(jī)極數(shù)對(duì)無(wú)刷電機(jī)性能的影響

極數(shù)是無(wú)刷電機(jī)核心結(jié)構(gòu)參數(shù)。

電機(jī)機(jī)械旋轉(zhuǎn)一圈，對(duì)應(yīng)定子磁場(chǎng)可完成 1 圈、2 圈甚至多圈電氣角度旋轉(zhuǎn)（電氣旋轉(zhuǎn)指定子磁場(chǎng)角度變化）。

• 機(jī)械 1 圈 = 電氣 1 圈：2 極電機(jī)（1 對(duì)極）

• 機(jī)械 1 圈 = 電氣 2 圈：4 極電機(jī)

無(wú)刷電機(jī)常見極數(shù)為 2、4、6、12 等偶數(shù)，極對(duì)數(shù) = 極數(shù) ÷2。

極數(shù)規(guī)律總結(jié)：

極數(shù)越多，電機(jī)扭矩越大，最高轉(zhuǎn)速越低

其他條件一致時(shí)，這是極數(shù)差異帶來(lái)的核心特性。

旋轉(zhuǎn)無(wú)刷電機(jī)與直線無(wú)刷電機(jī)區(qū)別

前文原理同樣完全適用于直線無(wú)刷電機(jī)。

直線無(wú)刷電機(jī)本質(zhì)就是把旋轉(zhuǎn)電機(jī) “拉直展開”，同樣包含線圈定子、永磁動(dòng)子兩部分結(jié)構(gòu)。

直線電機(jī)里轉(zhuǎn)子叫法并不嚴(yán)謹(jǐn)（并無(wú)旋轉(zhuǎn)動(dòng)作），但行業(yè)仍沿用該術(shù)語(yǔ)。

其磁場(chǎng)角度控制、換相邏輯與旋轉(zhuǎn)電機(jī)一致：最大化有效 Q 軸力、抑制無(wú)效 D 軸向力。

直線無(wú)刷有兩種典型安裝形式：

1. 定子固定，永磁動(dòng)子沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)

2. 永磁導(dǎo)軌固定，線圈定子往復(fù)移動(dòng)

還有桿式直線無(wú)刷電機(jī)：桿體交替排布南北磁極充當(dāng)動(dòng)子，同樣支持動(dòng)桿固定、定子滑動(dòng)兩種模式。

直線無(wú)刷電機(jī)可靠性高、響應(yīng)速度極快，雖然比滾珠絲杠、齒輪齒條等旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)直線傳動(dòng)結(jié)構(gòu)成本更高，但定位精度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)方案。

因?yàn)榻z杠、齒輪結(jié)構(gòu)必然存在回程間隙與彈性形變，大幅降低定位精度。

高分辨率編碼器普及進(jìn)一步推動(dòng)直線無(wú)刷應(yīng)用，正弦余弦編碼器、BiSS-C 串行編碼器搭配高性能信號(hào)處理，讓直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)納米甚至皮米級(jí)超高定位分辨率。

無(wú)刷電機(jī)控制器核心組成

了解電機(jī)基礎(chǔ)后，進(jìn)入本系列核心內(nèi)容：無(wú)刷電機(jī)控制邏輯。

無(wú)刷屬于多相電機(jī)，依靠多組定子線圈通電協(xié)同產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動(dòng)力。

三相無(wú)刷控制器標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)主要模塊：

1. 運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃：控制器內(nèi)部生成或外部總線輸入運(yùn)動(dòng)曲線，優(yōu)化運(yùn)行效率、降低機(jī)構(gòu)震動(dòng)

2. 位置 / 速度閉環(huán)控制

• 位置環(huán)：對(duì)比目標(biāo)位置與實(shí)際位置，輸出電流指令

• 速度環(huán)：僅調(diào)速場(chǎng)景使用

  電流指令直接對(duì)應(yīng)目標(biāo)輸出扭矩

3. 換相分配：將總電流指令拆分分配至 A、B、C 三相繞組

4. 電流閉環(huán)調(diào)節(jié)：實(shí)時(shí)檢測(cè)各相電流，調(diào)整輸出電壓，貼合目標(biāo)電流

5. 功率放大驅(qū)動(dòng)：向三相繞組施加驅(qū)動(dòng)電壓

目前主流驅(qū)動(dòng)器采用PWM 脈沖調(diào)制橋式拓?fù)?/strong>，效率高、易調(diào)控；對(duì)電磁干擾（EMI）要求極高的場(chǎng)景，仍會(huì)使用線性功放。

控制器架構(gòu)存在多種變體：部分簡(jiǎn)化方案無(wú)主動(dòng)電流閉環(huán)；無(wú)位置定位場(chǎng)景可省去位置傳感器，即無(wú)感無(wú)刷控制。