1.直流無刷電機（BLDC）概述
直流電動機的主要優點是調速和啟動特性好，堵轉轉矩大，被廣泛應用于各種驅動裝置和伺服系統中。但是，直流電動機都有電刷和換向器，其間形成的滑動機械接觸嚴重地影響了電動機的精度、性能和可靠性，所產生的火花會引起無線電干擾。縮短電動機壽命，換向器電刷裝置又使直流電動機結構復雜、噪聲大、維護困難，長期以來人們都在尋求可以不用電刷和換向器裝置的直流電動機。
隨著電子技術的迅速發展，各種大功率電子器件的廣泛采用，這種愿望已被逐步實現。本章要介紹的無刷直流電動機利用電子開關線路和位置傳感器來代替電刷和換向器，使這種電動機既具有直流電動機的特性。又具有交流電動機結構簡單、運行可靠、維護方便等優點；它的轉速不再受機械換向的限制，若采用高速軸承，還可以在高達每分鐘幾十萬轉的轉要中運行。
直流無刷電動機（BLDC）用途非常廣泛，可作為一般直流電動機、伺服電動機和力矩電動機等使用，尤其適用于高級電子設備、機器人、航空航天技術、數控裝置、醫療化工等高新技術領域。無刷直流電動機將電子線路與電機融為一體，把先進的電子技術應用于電機領域，這將促使電機技術更新、更快地發展。
2. BLDC結構和基本工作原理
BLDC是一種自控變頻的永磁同步電動機，這就意味著它的定子產生的磁場和轉子產生的磁場是同頻率的，所以BLDC并不會產生普通感應電機的頻差現象。BLDC中又有單相、2相和3相電機的區別，相類型的不同決定其定子線圈繞組的多少。在這里我們將集中討論的是應用最為廣泛的3相BLDC。
2.1 定子
BLDC定子是由許多硅鋼片經過疊壓和軸向沖壓而成，每個沖槽內都有一定的線圈組成了繞組，可以參見圖2.1.1。從傳統意義上講，BLDC的定子和感應電機的定子有點類似，不過在定子繞組的分布上有一定的差別。大多數的BLDC定子有3個呈星行排列的繞組，每個繞組又由許多內部結合的鋼片按照一定的方式組成，偶數個繞組分布在定子的周圍組成了偶數個磁極。
BLDC的定子繞組可以分為梯形和正弦兩種繞組，它們的根本區別在于由于繞組的不同連接方式使它們產生的反電動勢（反電動勢的相關介紹請參加EMF一節）不同，分別呈現梯形和正弦波形，故用此命名了。梯形和正弦繞組產生的反電動勢的波形圖如圖2.1.2和圖2.1.3所示。
另外還需要對反電動勢的一點說明就是繞組的不同其相電流也是呈現梯形和正弦波形，可想而知正弦繞組由于波形平滑所以運行起來相對梯形繞組來說就更平穩一些。但是，正弦型繞組由于有更多繞組使得其在銅線的使用上就相對梯形繞組要多。平時由于應用電壓的不同，我們可以根據需要選擇不同電壓范圍的無刷電機。48V及其以下應用電壓的電機可以用在汽車、機器人、小型機械臂等方面。100V及其以上電壓范圍的電機可以用在專用器具、自動控制以及工業生產領域。
2.2 轉子
定子是2至8對永磁體按照N極和S極交替排列在轉子周圍構成的（內轉子型），如果是外轉子型BLDC那么就是貼在轉子內壁咯。如圖2.2.1所示；
2.3 霍爾傳感器
與有刷直流電機不同，無刷直流電機使用電子方式換向。要使BLDC轉起來，必須要按照一定的順序給定子通電，那么我們就需要知道轉子的位置以便按照通電次序給相應的定子線圈通電。定子的位置是由嵌入到定子的霍爾傳感器感知的。通常會安排3個霍爾傳感器在轉子的旋轉路徑周圍。無論何時，只要轉子的磁極掠過霍爾元件時，根據轉子當前磁極的極性霍爾元件會輸出對應的高或低電平，這樣只要根據3個霍爾元件產生的電平的時序就可以判斷當前轉子的位置，并相應的對定子繞組進行通電。霍爾效應：當通電導體處于磁場中，由于磁場的作用力使得導體內的電荷會向導體的一側聚集，當薄平板通電導體處于磁場中時這種效應更為明顯，這樣一側聚集了電荷的導體會抵消磁場的這種影響，由于電荷在導體一側的聚集，從而使得導體兩側產生電壓，這種現象就稱為霍爾效應，E.H霍爾在1879年發現了這一現象，故以此命名。
圖2.3.1顯示了NS磁極交替排列的轉子的橫截面。霍爾元件安放在電機的固定位置，將霍爾元件安放到電機的定子是比較復雜的，因為如果安放時位置沒有和轉子的磁場相切那么就可能導致霍爾元件的測量值不能準確的反應轉子當前的位置，鑒于以上原因，為了簡化霍爾元件的安裝，通常在電機的轉子上安裝一顆冗余的磁體，這個磁體專門用來感應霍爾元件，這樣就能起到和轉子磁體感應的相同效果，霍爾元件一般按照圓周安放在印刷電路板上并配備了調節蓋，這樣用戶就可以根據磁場的方向非常方便的調節霍爾元件的位置以便使它工作在******狀態。霍爾元件位置的安排上，有60°夾角和120°夾角兩種。基于這種擺放形式，BLDC的電流換向順序由制造廠商制定，當我們控制電機的時候就需要用到這種換向順序。
注意：霍爾元件的電壓范圍從4V到24V不等，電流范圍從5mA到15mA不等，所以在考慮控制器時要考慮到霍爾元件的電流和電壓要求。另外，霍爾元件輸出集電極開路，使用時需要接上拉電阻。
2.4 操作原理
每一次換向都會有一組繞組處于正向通電；第二組反相通電；第三組不通電。轉子永磁體的磁場和定子鋼片產生的磁場相互作用就產生了轉矩，理論上，當這兩個磁場夾角為90°時會產生最大的轉矩，當這兩個磁場重合時轉矩變為0，為了使轉子不停的轉動，那么就需要按順序改變定子的磁場，就像轉子的磁場一直在追趕定子的磁場一樣。典型的“六步電流換向”順序圖展示了定子內繞組的通電次序。
2.5 轉矩/轉速特性
圖2.5.1 轉矩和速度特性顯示了轉矩和轉速特性。BLDC一共有兩種轉矩度量：最大轉矩和額定轉矩。當電機連續運轉的時候表現出來的就是額定轉矩。在無刷電機達到額定轉速之前，轉矩不變，無刷電機最高轉速可以達到額定轉速的150%，但是超速時電機的轉矩會相應下降。在實際的應用中，我們常常會讓帶負載的電機啟動、停轉和逆向運行，此時就需要比額定轉矩更大的轉矩。特別是當轉子靜止和反方向加速時啟動電機，這個時候就需要更大的轉矩來抵消負載和轉子自身的慣性，這個時候就需要提供最大的轉矩一直到電機進入正向轉矩曲線階段。
2.6 BLDC和其他類型電機比較
3. 換向時序
圖2.6.1顯示了霍爾元件的輸出、反電動勢和相電流的關系。圖2.6.2顯示了根據霍爾元件輸出的波形應該給繞組通電的時序。圖2.6.1中的通電序號對應的就是圖2.6.2中的序號，每隔60°夾角其中一個霍爾元件就會改變一次其輸出特性，那么一圈（通電周期）下來就會有6次變化，同時相電流也會每60°改變一次。但是，每完成一個通電周期并不會使轉子轉動一周,轉子轉動一周需要的通電周期數目和轉子上的磁極的對數相關，轉子有多少對磁極那么就需要多少個通電周期。圖2.6.3是關于使用MCU控制無刷電機的原理圖，其中微控制器PIC18FXX31控制Q0-Q5組成的驅動電路按照一定的時序為BLDC通電，根據電機電壓和電流的不同可以選擇不同的驅動電路，如MOSFET、IGBT或者直接使用雙極性三極管。表2.6.1和表2.6.2表示的是基于霍爾輸入時在A、B、C繞組上的通電時序。表2.6.1是轉子順時針轉動的時序，表2.6.2是轉子逆時針轉動的時序。上面兩個表格顯示的是當霍爾元件呈60°排列時的驅動波形，前面也提到霍爾元件還可以呈120°的夾角排列，那么這個時候就需要相應的驅動波形，這些波形都可以在電機生產商的資料里找到，應用時需要嚴格遵守通電時序。
如圖2.6.3所示，假設驅動電壓和電機運行時的電壓相等（包括驅動電路本身的損耗），當PWMx按照給定的時序開和關時無刷電機將會以額定的轉速旋轉。為了調速，我們使用遠高于電機運轉頻率的PWM波驅動電機，通常我們需要至少10倍于電機最高頻率的PWM驅動波形。當PWM驅動波形的占空比變化時，使得其在定子上的有效電壓變化，這就實現了無刷電機的調速，另外，當驅動電源電壓高于電機本身的額定電壓時，我們可以調節PWM的占空比來使得驅動電源電壓適合電機的額定驅動電壓。可想而知，我們可以使用同一個控制器去掛接不同額定電壓的電機，此時只需要用控制器改變一下PWM的占空比就行了。另外還有一種控制方式：當微控制器的PWM輸出不夠用時，可以在整個通電時序內將上臂一直導通（即上臂不使用PWM）而下臂使用PWM驅動。圖2.6.3中連接數字和模擬轉換通道的分壓電路提供了一定速度的參考電壓，有了這個電壓，我們就可以計算PWM波形的有效值。
4. 反電動勢（BACK EMF）
根據楞次定律，當BLDC轉動時其繞組會產生與繞組兩端電壓相反方向的反向電壓，這就是反電動勢（BACK EMF）。記住，反電動勢和繞組所加電壓是反向的。決定反電動勢的主要因素有以下幾點：
轉子的角速度；轉子永磁體的磁場強度；每個定子繞組纏繞的線圈數量。
計算反電動勢的公式：
Back EMF = (E) ∝NlBw
其中：
N為每相繞組的線圈數量 L轉子的長度 B為轉子的磁通密度 W為轉子的角速度
當電機一旦做好，那么其繞組的線圈數量和永磁體的磁通密度就定了，由公式可知，唯一決定反電動勢的量就是轉子的角速度（也可以換算為線速度）且角速度和反電動勢成正比。廠家一般會提供電機的反電動勢常量，通過它我們可以用來估計某一轉速下反電動勢的大小。繞組上的電壓等于供電電壓減去反電動勢，廠家在設計電機的時候會選取適當的反電動勢常量以便電機工作時有足夠的電壓差可以使電機達到額定轉速并具有足夠的轉矩。當電機超過額定轉速工作時，反電動勢會持續上升，這時加在電機繞組間的有效電壓會下降，電流會減少，扭矩會下降，當反電動勢和供電電壓相等的時候，電流降為0，扭矩為0，電機達到極限轉速。
5. 選擇合適的BLDC
為實際應用選擇合適的電機是至關重要的。根據電機的負載特性，需要確定合適的電機參數。其主要參數有以下幾點：
5.1 最大扭矩
最大的扭矩可以通過將負載扭矩、轉動慣量和摩擦力相加得到。另外，還有一些額外的因素影響最大需求扭矩如：氣隙空氣的阻力等，這就需要至少20%的扭矩余量。
5.2 平方根扭矩
可以近似的認為平方根扭矩為實際應用中需要的持續輸出扭矩。它由很多因素決定：最大扭矩、負載扭矩、轉動慣量、加速、減速以及運行時間。
5.3 轉速
這是有應用需求的轉速。比如，吹風機的轉速需求是，最高轉速和平均轉速相差不大，顯然在一些點對點定位系統如傳送帶和機械臂系統中就需要大轉速范圍的電機，可以根據電機的轉速梯形曲線確定電機的轉速需求。通常，由于其他因素，在計算電機轉速需求的時候需要留有10%余量。
6. BLDC典型應用
BLDC的應用十分廣泛，如汽車、工具、工業工控、自動化以及航空航天等等。總的來說，BLDC可以分為以下三種主要用途： 持續負載應用 、可變負載應用 、定位應用。
7. 總結
總的來說，無刷電機相對傳統的有刷電機、感應電機而言，它擁有高的轉速/扭矩比、好動態特性、高效率、長壽命、低噪聲、寬轉速范圍和制造容易等等優良特性。特別是去單位體積的功率輸出特性使得其可以用于對尺寸和重量敏感的場合。這些優良的特性使得
BLDC在工業控制領域、汽車工業、航空航天等等領域有著非常廣泛的應用。