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1）简介： 无刷直流电机（BLDC）是永磁同步电机（定子产生的磁场与转子的运动频率相同）的一种，而并不是真正的直流电机。区别于有刷直流电机，无刷直流电机不使用机械的电刷装置，采用方波自控式永磁同步电机，以霍尔传感器取代碳刷换向，以钕铁硼作为转子的永磁材料，性能相较一般的传统直流电机有很大的优势，是当今最理想的调速电机。 BLDC电机可以配置为单相、双相和三相。三相电机使用最普遍。 无刷直流电机以电子换向器（三相逆变桥电路）取代了机械换向器（有刷电机的电刷），所以无刷直流电机既具有直流电机的良好调速性能，又具有交流的结构简单、无换向火花。 BLDC电机和有刷直流电机及感应电机相比，具有如下优点：
无刷直流电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受到电机定子旋转磁场的速度及转子极数（P）的影响。
直流无刷驱动器包括电源部及控制部，电源部提供三相电源给电机，控制部则依需求转换输入电源频率。 电源可以直接以直流输入（一般为24v）或以交流电输入（110v/220v），如果输入是交流电就得先经转换器转成直流。不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前必须先将直流电压由换流器转成3相电压来驱动电机。换流器一般由6个功率晶体管（q1-q6）分为上臂（q1、q3、q5）下臂（q2、q4、q6）连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供PWM（脉冲宽度调制）决定功率晶体管开关频度及换流器换相的时机。直流无刷电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制，所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器，作为速度的闭环回路，同时也作为相序控制的依据。但这只是用来作为速度控制并不能用来作为定位控制。 2）基本结构组成： 直流无刷电机主要由电机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。其原理框图如下图（1）所示。
图（1） 直流电源通过开关电路向电动机定子绕组供电，位置传感器随时检测到转子所处的位置，并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和截止，从而自动地控制哪些绕组通电，哪些绕组断电，实现电子换向。
图（1）外转子无刷电机结构示意图
3）定子： BLDC定子是由许多硅钢片经过叠压和冲压而成，每个冲槽内都有一定的线圈组成了绕组，可参见下图。
从传统意义上讲，BLDC的定子和感应电机的定子有点类似，不过在定子绕组的分布上有一定的差别。大多数的BLDC定子有3个呈星型排列的绕组，每个绕组又有许多内部结合的钢片按照一定的方式组成，偶数个绕组分布在定子的周围组成了偶数个磁极。 定子绕组可以分成梯形和正弦两种绕组，它们的根本区别在于绕组的不同连接方式使它们产生的反电动势不同，分别呈现梯形和正弦波形。梯形和正弦波绕组产生的反电动势波形如下图：
图（5）梯形反电动势
图（6）正弦反电动势 另外，绕组的不同不仅在反电动势上有梯形和正弦的区别，在相电流上也呈现出梯形和正弦波的差异。正弦波绕组由于波形平滑，所以运行起来相对于梯形绕组来说更加平稳一些。 4）转子： 转子是由2至多对永磁体按照N极和S极交替排列在转子周围构成的（内型转子），如果是外转子型BLDC则是贴在内壁。 要根据转子中需要的磁场密度选择制造转子的合适磁性材料。传统使用铁氧体制造永磁体。随着技术的进步，稀土合金磁体正越来越受欢迎。铁氧体比较便宜，但缺点是给定体积的磁通密度较低。相比之下，合金材料单位体积的磁场密度高，生成相同转矩所需体积小。同时，这些合金磁体能够改善体积与重量之比，比使用铁氧体磁芯的同体积电机产生的转矩更大。 稀土合金磁体钕等进一步提高磁通密度，缩小转子体积的研究仍在持续中。 如下图所示，为转子中不同磁体排列的横截面图：
5）霍尔传感器： 与有刷电机不同，无刷直流电机使用电子式换向。要使得BLDC转起来，必须按照一定的顺序给定子通电，那么我们就需要知道转子的位置以便按照通电次序给相应的定子线圈通电。转子的位置是由嵌入到定子的霍尔传感器感知的。通常设计三个霍尔传感器在转子的旋转路径周围。多数BLDC电机在非驱动端上的定子中嵌入了三个霍尔传感器。无论何时，只要转子的磁极掠过霍尔元件时，根据转子当前磁极的极性霍尔元件会输出对应的高或低电平，表示北磁极或南磁极正经过该传感器。这样只需要根据三个霍尔元件产生的电平时序就可以判断当前转子的位置，并相应的对定子绕组进行通电。 霍尔效应：当通电导体处于磁场中，由于磁场的作用力使得导体内的电荷会向导体的一侧聚集，当薄平板通电导体处于磁场中时这种效应更为明显，这样一侧集聚了电荷的导体会抵消磁场的这种影响。由于电荷在导体的一侧集聚，从而使导体两侧产生电压，这种现象称为霍尔效应。
图（7）霍尔传感器测量原理 图7显示了NS磁极交替排列的定子的横截面。霍尔元件安放在电机的静止位置，将霍尔元件安放到电机的定子是比较复杂的。因为如果安放时位置没有和转子的磁场相切那么就可能导致霍尔元件的测量值不能准确的反应转子当前的位置。鉴于以上原因，为了简化霍尔元件的安装，通常在电机的转子上安装一颗冗余的磁铁，这个磁体专门用来感应霍尔元件，这样就能起到和转子磁铁感应相同的效果，霍尔元件一般按照圆周安放在印刷电路板上并配备了调节盖，这样用户就可以根据磁场的方向非常方便的调节霍尔元件的位置以便使它工作在最佳状态。 霍尔元件在位置的安排上，有60°夹角和120°夹角两种。基于这种摆放形式，BLDC的电流换向顺序由制造厂商制定。当我们控制电机的时候就需要用到这种换向顺序。 注意：霍尔元件的电压范围从4V-24V不等，电流范围从5mA-15mA不等，所以在考虑控制器时要考虑到霍尔元件的电流和电压要求。另外，霍尔元件输出集电极开路，使用时需要接上拉电阻。 6）工作原理简介： 每次换向，都有一个绕组连接到控制电源的正极（电流进入绕组），第二个绕组连接到负极（电流从中流出），第三个处于失电状态。转矩是由定子线圈产生的磁场和永磁体之间的相互作用产生的。理想状态下，转矩峰值出现在两个磁场正交时，而在磁场平行时最弱。为了保持电机转动，由定子绕组产生的磁场应不断变换位置，因为转子会向着与定子磁场平行的方向转动。“六步换相”定义了给绕组加电的顺序。 7）转矩/转速特性： 下图展示了转矩/转速特性示例。有两个转矩参数用于定义BLDC电机，峰值转矩（Tp）和额定转矩（TR）. 连续运转时，电机的负载会增加直到到达额定转矩。在BLDC电机中，转矩在转速达到额定值之前都保持不变。电机运转可达到的最大转速是额定转速的150%，但从超过额定转速起转矩开始下降。 对于经常带负载启动、停止和反转的电机应用需要比额定转矩更大的转矩。
以内转子无刷电机工作原理为例来介绍； 1）基本线圈受力分析： 如下图所示，当线圈的电流从上往下流通时，线圈上面为N极，下面为S极。
再增加一根线圈，则如下图所示：
再增加一根线圈，得到一个电机的三相绕组：
再加上永磁体做成的转子，就是一个无刷直流电机了：
2）电流换向器： 无刷直流电机之所以可以既使用直流电源通电，又不使用电刷，是因为外部有个专门的电路（逆变桥电路）来控制各相线圈的通电。这个换向电路的主要器件可以是FET、MOS或IGBT。可以把FET等看做是开关。下图将FET标为AT（A相Top），AB（A相Bottom），BT，BB，CT，CB。FET的“开合”是由单片机控制的。
3）电流换向过程： FET的关闭与开启是由单片机控制的。最常用的电流换向方法是Six-STEP Commutation，即“六步换向”，换向过程如下图所示：
4 ）转子转动： 要让转子能够连续的转动，则六步换向生成一个旋转磁场，在转子的前方不断勾引。如下图所示，黑色箭头为合成的磁场方向，红色箭头为转子磁场的方向。所以，只要控制好线圈通电的时间，让合成磁场的方向一直在转子的前方，转子便能连续运动。
5 ）怎样确定换向时间： 通过前述分析，转子连续旋转的关键是，等转子转到合适的角度，对通过线圈的电流进行换向，从而使生成的磁场方向发生变化，吸引转子，导致转子转动。 所以，需要知道转子的位置在哪里才能确定合适的电流换向时间。 判断转子位置的方法挺多，有传感器方案和无传感器方案；而传感器一般是霍尔传感器。 6 ）霍尔传感器： 霍尔传感器通过霍尔效应（Hall Effect），能检测出磁场强度的变化。根据左手定则（判断导体在磁场中的受力方向），在霍尔传感器所在回路中，磁场使带电粒子的运动发生偏转，带电粒子“撞到”霍尔传感器两边，产生电位差。这样就可以用电压计接到霍尔传感器的两边，检测出这种电压变化，从而检测出磁场强度的变化。原理如下图所示：
基于以上霍尔传感器的原理，那么霍尔传感器是如何得到转子位置的呢？ 霍尔传感器一般是每隔120度或60度安装。下面按120°的分析，假设转子的N极划过霍尔传感器的感应区时，霍尔传感器会输出高压（如5V），反之是S极则会输出低压。
根据HA/HB/HC的电平，就可以知道转子所处位置的角度。比如HA高，HB和HC低，那么我们知道转子处于180°-240°电气角度之间。使用三个霍尔传感器时，分辨率是60°电气角度。 电气角度和机械角度的关系：机械角度是电机转子实际转过的角度，电气角度和机械角度的关系与转子的极对数有关。实际上线圈生成的磁场要吸引的是转子的磁极。所以，对于电机的转动控制来说，只要关心电气角度就好。 电角度是实际的空间几何角度。 电机每对极在定子内圆上所占的角度360°/p指的是实际的空间几何角度，这个角度被称为机械角度。在四极及以上的极数电机中常常把一对极所占的机械角度定义为360°电角度，这是因为绕组中感应电势变化一个周期为360°。对于两极电机，其定子内圆所占电角度和机械角度均为360°，而p对极电机，其定子内圆全部电角度为360°*p，但机械角度仍为360°。二者存在如下关系：电气角度=机械角度*极对数；  |
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