| 无刷直流 （BrushlessDirect Current， BLDC）电机是一种正快速普及的电机类型，它可在家用电器、汽车、航空航天、消费品、医疗、工业自动化设备和仪器等行业中使用。正如名称指出的那样，BLDC 电机不用电刷来换向，而是使用电子换向。BLDC 电机和有刷直流电机以及感应电机相比，有许多优点。由于输出转矩与电机体积之比更高，使之在需要着重考虑空间与重量因素的应用中，大有用武之地。BLDC 电机是同步电机中的一种。也就是说，定子产生的磁场与转子产生的磁场具有相同的频率。BLDC 电机不会遇到感应电机中常见的 “差频”问题。BLDC 电机可配置为单相、两相和三相。定子绕组的数量与其类型对应。三相电机最受欢迎，使用最普遍。本文主要讨论电动汽车应用中的三相电机。内转子型BLDC电机是典型的BLDC电机的一种，其外观与内部构造如图1所示，。带刷DC电机（以下称为DC电机）的转子上有线圈，外侧放有永磁体。BLDC电机的转子上有永磁体，外侧是线圈。BLCD电机的转子没有线圈，是永磁体，因此没有必要在转子上通电。实现了不带通电用的电刷的“无刷型”。另一方面，与DC电机相比，控制也变得更难了。并不是只要将电机上的电缆接上电源就好了。本来就连电缆数目都不一样。和“将正极（+）和负极（-）连上电源”的方式不同。 
图1 BLDC电机的外观及内部构造 BLDC 电机的定子由铸钢叠片组成，绕组置于沿内部圆周轴向开凿的槽中（如图 2 所示）。定子与感应电机的定子十分相似，但绕组的分布方式不同。多数BLDC 电机都有三个星型连接的定子绕组。这些绕组中的每一个都是由许多线圈相互连接组成的。在槽中放置一个或多个线圈，并使它们相互连接组成绕组。沿定子圆周分布这些绕组，以构成均匀分布的磁极。有两种类型的定子绕组：梯形和正弦电机。以定子绕组中线圈的互连方式为依据来区分这两种电机，不同的连接方式会产生不同类型的反电动势（ElectromotiveForce，EMF）。正如它们的名称所示，梯形电机具有梯形的反电动势，正弦电机具有正弦形式的反电动势，如图3和图4所示。除了反电动势外，两类电机中的相电流也有梯形和正弦之分。这就使正弦电机输出的转矩比梯形电机平滑。但是，随之会带来额外的成本，这是因为正弦电机中线圈在定子圆周上的分布形式会使绕组之间有额外的互连，从而增加了耗铜量。根据控制电源的输出能力，选择定子的额定电压合适的电机。48 伏或更低额定电压的电机适用于汽车、机器人和小型机械臂运动等应用。
图 2BLDC 电机的定子
图3 梯形反电动势
图 4 正弦反电动势
转子用永磁体制成，可有 2 到 8 对磁极，南磁极和北磁极交替排列。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。传统使用铁氧体来制造永磁体。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，生成相同转矩所需的体积小。同时，这些合金磁体能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。稀土合金磁体有钕（Nd）、钐钴（SmCo）以及钕铁硼铁氧体合金（NdFeB）等。进一步提高磁通密度，缩小转子体积的研究仍在持续进行中。和有刷直流电机不同，BLDC 电机的换向是以电子方式控制的。要使 BLDC 电机转动，必须按一定的顺序给定子绕组通电。为了确定按照通电顺序哪一个绕组将得电，知道转子的位置很重要。转子的位置由定子中嵌入的霍尔效应传感器检测。多数 BLDC电机在其非驱动端上的定子中嵌入了三个霍尔传感器。每当转子磁极经过霍尔传感器附近时，它们便会发出一个高电平或低电平信号，表示北磁极或南磁极正经过该传感器。根据这三个霍尔传感器信号的组合，就能决定换向的精确顺序。二、BLDC电机的控制实验在试验中，选择了瑞萨电子电机控制评估套件“24V Motor Control Evaluation System for RX23T（以下称为“电机RSSK”）”中有一套逆变板和各种控制软件、开发支持工具，使用电机RSSK来实际进行一次电机控制。进行使用霍尔传感器的120度通电控制前，需要下载“霍尔120度通电控制软件”写入电机控制用微控制器中。还要同时使用电机控制的开发支持工具Renesas Motor Workbench。Renesas MotorWorkbench有Analyzer功能和Tuner功能。首先来试试Analyzer功能吧。Analyzer功能的最大特点是能在电机转动的同时不停止CPU，持续读写微控制器内部的变量，并用波形显示。若停止CPU，则可能由于PWM的输出状况而导致电流过大，损坏逆变板。因此，它在电机控制领域中，不像其他应用程序一样在程序中设置暂停，导致无法确认微控制器内部的变量。所以这是一项非常有效的功能。另外，由于电机控制，尤其是矢量控制中，使用了被称为“d轴”、“q轴”的电流值等在微控制器内部演算的电流值，因此在一般的示波器中无法确认数值。能够直接确认其电流值也可以说是它的一大特点吧。此外，由于能够只提取出达到设置电压的波形以及缩放，作为电机控制用的开发支持工具来说非常有效。比起使用DA转换器或外部总线输出数据或保存在存储器之后进行分析等要高效得多。另外，也可作为通过利用变量来控制电机的转动/停止等的用户界面。由于Renesas Motor Workbench为用户界面，所以，瑞萨电子在网上公开的电机控制程序是利用此程序，实际上是通过120度通电控制来进行电机控制的。1.体验120度通电控制尝试用120度通电控制，从Analyzer进行操作，让电机转动。120度通电控制的电流波形如图5所示。观察各相的电流波形。用Analyzer确认后，已确认如图5所示的波形。中央用不同颜色表示的波形的详细数据如下所示。虽然由于逆变电路的切换，存在无法取得电流值的时刻，但也形成了具有特点的电流波形。进行120度通电控制后，会形成矩形波一般的电流波形。另外可知，随着蓝色信号的变化，通电类型会发生切换。看了电机RSSK附带的电机转动的样子之后，并没有感觉到第2次介绍中说明的“不顺畅感”。也就可以理解它为什么被用于实际的应用中。
图5 120度通电控制的电流波形
2.改变磁通量的方向为了转动BLDC电机，必须控制线圈的电流方向及时机。图6-A是将BLDC电机的定子（线圈）和转子（永磁体）模式化的结果，是使用3个线圈的情况。虽然实际上也有使用6个或以上的线圈的情况，但在考虑原理的基础上，每120度放一个线圈，使用3个线圈。电机将电气（电压、电流）转换为机械性旋转。图6-A的BLDC电机又是如何转动呢？
图6-A：BLDC电机转动原理
BLDC电机中每隔120度放置一个线圈，总共放置三个线圈，控制通电相或线圈的电流如图6-A所示，BLDC电机使用3个线圈。这三个线圈用以在通电后生成磁通量，将其命名为U、V、W。将该线圈通电试试看吧。线圈U（以下简称为“线圈”）上的电流路径记为U相，V的记录为V相，W的记录为W相。接下来看一看U相吧。向U相通电后，将产生如图6-B所示的箭头方向的磁通量。但实际上，U、V、W的电缆都是互相连接着的，因此无法仅向U相通电。在这里，从U相向W相通电，会如图6-C所示在U、W产生磁通量。合成U和W的两个磁通量，变为图6-D所示的较大的磁通量。永磁体将进行旋转，以使该合成磁通量与中央的永磁体（转子）的N极方向相同。
图6-B：BLDC电机的转动原理
从U相向W向通电。首先，只关注线圈U部分，则发现会产生如箭头般的磁通量。
图6-C：BLDC电机的转动原理
图6-D：BLDC电机的转动原理
从U相向W相通电，可以认为产生了两个磁通量合成的磁通量。若改变合成磁通量的方向，则永磁体也会随之改变。配合永磁体的位置，切换U相、V相、W相中通电的相，以变更合成磁通量的方向。连续执行此操作，则合成磁通量将发生旋转，从而产生磁场，转子旋转。图7所示的是通电相与合成磁通量的关系。在该例中，按顺序从1-6变更通电模式，则合成磁通量将顺时针旋转。通过变更合成磁通量的方向，控制速度，可控制转子的旋转速度。将切换这6种通电模式，控制电机的控制方法称为“120度通电控制”。
图7：转子的永久磁石会像被合成磁通量牵引一样旋转，电机的轴也会因此旋转
3.使用正弦波控制，进行流畅的转动接下来，尽管在120度通电控制下合成磁通量的方向会发生旋转，但其方向不过只有6种。比如将图7的“通电模式1”改为“通电模式2”，则合成磁通量的方向将变化60度。然后转子将像被吸引一样发生旋转。接下来，从“通电模式2”改为“通电模式3”，则合成磁通量的方向将再次变化60度。转子将再次被该变化所吸引。这一现象将反复出现。这一动作将变得生硬。有时这动作还会发出噪音。能消除120度通电控制的缺点，实现流畅的转动的正是“正弦波控制”。在120度通电控制中，合成磁通量被固定在了6个方向。进行控制，使其进行连续的变化。在图6-C的例子中，U和W生成的磁通量大小相同。但是，若能较好地控制U相、V相、W相，则可让线圈各自生成大小各异的磁通量，精密地控制合成磁通量的方向。调整U相、V相、W相各相的电流大小，与此同时生成了合成磁通量。通过控制这一磁通量连续生成，可使电机流畅地转动。
图8：正弦波控制 正弦波控制可控制3相上的电流，生成合成磁通量，实现流畅的转动，见图8。4.使用逆变器控制电机那么U、V、W各相上的电流又如何呢？为便于理解，回想120度通电控制的情况看看吧。请再次查看图7。在通电模式1时，电流从U流至W;在通电模式2时，电流从U流至V。可以看出，每当有电流流动的线圈的组合发生改变时，合成磁通量箭头的方向也会发生变化。接下来，请看通电模式4。在该模式下，电流从W流至U，与通电模式1的方向相反。在DC电机中，像这样的电流方向的转换是由换向器和刷子的组合来进行了。但是，BLDC电机不使用这样的接触型的方法。使用逆变器电路，更改电流的方向。在控制BLDC电机时，一般使用的是逆变器电路。另外逆变器电路可改变各相中的外加电压，调整电流值。电压的调整中，常用的是PWM（Pulse Width Modulation=脉冲宽度调制）。PWM是一种通过调整脉冲ON/OFF的时间长度改变电压的方法，重要的是ON时间和OFF时间的比率（占空比）变化。若ON的比率较高，可以得到和提高电压相同的效果。若ON的比率下降，则可以得到和电压降低相同的效果（图9）。为了实现PWM，现在还有配备了专用硬件的微电脑。进行正弦波控制时需控制3相的电压，因此比起只有2相通电的120度通电控制来说，软件要稍稍复杂一些。逆变器是对驱动BLDC电机必要的电路。交流电机中也使用了逆变器，但可以认为家电产品中所说的“逆变器式”几乎使用的是BLDC电机。
图9：PWM输出与输出电压的关系
变更某时间内的ON时间，以变更电压的有效值。ON时间越长，有效值越接近施加100%电压时（ON时）的电压5.使用位置传感器的BLDC电机以上是BLDC电机的控制的概况。BLDC电机通过改变线圈生成的合成磁通量的方向，使转子的永磁体随之变化。实际上，在以上的说明中，还有一点没有提到。即BLDC电机中的传感器的存在。BLDC电机的控制是配合着转子（永磁体）的位置（角度）进行的。因此，获取转子位置的传感器是必需的。若没有传感器得知永磁体的方向时，转子可能会转至意料之外的方向。有传感器提供信息的话，就不会出现这样的情况了。表1中显示的是BLDC电机主要的位置检测用传感器的种类。根据控制方式的不同，需要的传感器也是不同的。在120度通电控制中，为判断要对哪个相通电，配备了可每60度输入一次信号的霍尔效应传感器。另一方面，对于精密控制合成磁通量的“矢量控制”（在下一项中说明）来说，转角传感器或光电编码器等高精度传感器较为有效。通过使用这些传感器可以检测出位置，但也会带来一些缺点。传感器防尘能力较弱，而且维护也是不可或缺的。可使用的温度范围也会缩小。使用传感器或为此增加配线都会造成成本的上升，而且高精度传感器本身就价格高昂。于是，“无传感器”这一方式登场了。它不使用位置检测用传感器，以此控制成本，且不需要传感器相关的维护。但此次为了说明原理，因此假定已从位置传感器获得了信息来吧。表1：位置检测专用传感器的种类及特征 传感器种类 | 主要用途 | 特征 | 霍尔效应传感器 | 120度通电控制 | 每60度获取一次信号。价格较低。不耐热。 | 光电编码器 | 正弦波控制、矢量控制 | 有增量型（可得知原位置开始的移动距离）和绝对型（可得知当前位置的角度）两种。分辨率高，但防尘埃能力较弱。 | 转角传感器 | 正弦波控制、矢量控制 | 分辨率高。即使在牢固的恶劣环境下也可使用。 |
6.通过矢量控制时刻保持高效率正弦波控制为3相通电，流畅地改变合成磁通量的方向，因此转子将流畅地旋转。120度通电控制切换了U相、V相、W相中的2相，以此来使电机转动，而正弦波控制则需要精确地控制3相的电流。而且控制的值是时刻变化的交流值，因此，控制变得更为困难。 | 
