大家好，我是小麥，最近這段時間，成功地做了一個項(xiàng)目，是基于BLDC的無感方波驅(qū)動的一個產(chǎn)品，在這里順便總結(jié)和分享一下BLDC的驅(qū)動原理。

有刷直流電機(jī)

BLDC（brushless DC electric motor）全稱是無刷直流電機(jī)。在介紹BLDC之前，這里就不得不說一下有刷直流電機(jī)，然后帶著問題再看什么是直流無刷電機(jī)。

結(jié)構(gòu)

有刷直流電機(jī)發(fā)明于 19 世紀(jì)，現(xiàn)在應(yīng)用仍然很普遍，相比較于無刷直流電機(jī)，它的結(jié)構(gòu)會更加復(fù)雜，通常電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的組件都包括轉(zhuǎn)子和定子；

• 轉(zhuǎn)子就是旋轉(zhuǎn)的；
• 定子就是固定的；

然后其中一個可能是永磁體，就是那種加入稀土等材料然后可以保持長期磁性的物質(zhì)；

而另一個就是線圈繞組，經(jīng)過交變電流之后，會產(chǎn)生變化的磁場，從而推動電機(jī)的轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

下面是我小時候玩的四驅(qū)車?yán)锊鹣聛淼碾姍C(jī)；

原理

小時候拆過的小伙伴請舉手，好，言歸正傳，下面是一個簡單的兩極有刷直流電機(jī)的模型，我們來簡單分析一下它的旋轉(zhuǎn)原理；

首先這里的轉(zhuǎn)子是勵磁繞組，正如前面提到的，就是線圈繞組，但是它如何通過交變電流呢，正是通過這個換向器，圖1 中金黃色的器件，

假設(shè)我們給線圈通電，這時候會在電樞周圍產(chǎn)生磁場。由于同極相斥，電樞的左側(cè)被推離左側(cè)，電樞的右側(cè)被拉向右側(cè)，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

這里電樞是轉(zhuǎn)子，而永磁體是定子，其中用藍(lán)色表示N極，紅色表示S極；

電樞繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電樞與水平垂直時，即電樞產(chǎn)生的磁場與永磁體產(chǎn)生的磁場垂直，換向器反轉(zhuǎn)改變了通過線圈的電流方向，使磁場反轉(zhuǎn)。因此轉(zhuǎn)子可以繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。

重復(fù)以上過程，轉(zhuǎn)子就開始旋轉(zhuǎn)了，如下圖所示；

其實(shí)最簡單的運(yùn)行原理看下圖就很清晰了，如果我們換一個更大的電池（電壓更高），這個線圈可能會轉(zhuǎn)的更快；

所以有刷直流電機(jī)可以很簡單地轉(zhuǎn)動起來，因?yàn)殡姍C(jī)內(nèi)部已經(jīng)幫你做好了換向的工作，所以通?？梢赃M(jìn)行升壓和降壓調(diào)速，通常這里的做法是PWM，加上功率元器件，實(shí)現(xiàn)弱電控制強(qiáng)電，這有一部分屬于電力電子的范疇了。

最常經(jīng)常使用的就是H橋驅(qū)動電路了，可以簡單的控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，還能通過控制PWM的占空比進(jìn)行調(diào)速，整體電路如下所示；

有刷直流電機(jī)雖然換相簡單，控制簡單，但是結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，并且在換相的時候，容易產(chǎn)生火花。

大家想象一下，把插頭插入插座的時候，是不是會產(chǎn)生火花？是的，就是這種換相開關(guān)瞬間產(chǎn)生的火花，可能會損壞電刷，所以它的維護(hù)成本就直線上升了。

好了，差不多搞清楚直流有刷電機(jī)之后，可以看看直流無刷電機(jī)到底和它有什么相同和不同的地方呢？

無刷直流電機(jī)

直流無刷電機(jī)從結(jié)構(gòu)上，比直流有刷電機(jī)少了電刷和換向器，所以內(nèi)部結(jié)構(gòu)無法自己完成換相的操作，因此就需要外部驅(qū)動信號進(jìn)行換向。

這里我們還是從內(nèi)部結(jié)構(gòu)作為切入點(diǎn)，對其驅(qū)動時序進(jìn)行分析，結(jié)果就會變得清晰起來。

結(jié)構(gòu)

如下圖所示，在四軸飛行器或者一些航模上，都能看到這種類型的直流無刷電機(jī)，它通常有三條線，U，V，W，當(dāng)然航模上還需要配置一個電調(diào)(ESC)——作為電機(jī)的驅(qū)動器。

這里的電調(diào)往往有兩種驅(qū)動方式，六步方波，或者FOC驅(qū)動，下面主要對六步方波驅(qū)動方式進(jìn)行分析。

我們先看一下直流無刷的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通常是這樣的，這里由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，是電樞繞組，轉(zhuǎn)子是永磁體；兩對極電機(jī)，分別是U1，V1，W1，U2，V2，W2，后面我們會進(jìn)一步進(jìn)行介紹。具體如下圖示；

圖中的電機(jī)的定子是電樞繞組在通過交變電流的時候，會產(chǎn)生磁場，電樞的材料是鐵芯，可以導(dǎo)磁，這樣可以增大磁場的強(qiáng)度，磁場的方向取決于電流的方向，具體可以根據(jù)右手螺旋定則來判斷，如下圖所示；

換相原理

這里我們簡單介紹一下轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的過程，即無刷直流電機(jī)的換相原理：

1. 首先我們對電樞繞組施加適當(dāng)大小的電流，線圈將產(chǎn)生一個磁場，該磁場將吸引轉(zhuǎn)子的永磁體；

2. 如果我們一個接一個地激活每個線圈，這樣可以產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)的磁場，由于永磁體和電磁體之間的力相互作用，轉(zhuǎn)子將在旋轉(zhuǎn)的磁場作用下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。

具體如下圖所示；

但是上面提到，這里是兩對極的直流無刷電機(jī)，那么為了提高電機(jī)的效率，我們可以將兩個相反的線圈組成一個繞組，這樣會產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子極相反的磁極，從而獲得雙倍的磁場的力。

初步了解了內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和通電機(jī)制之后，我們就需要產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動信號去產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。如下圖所示，這是一個簡單的驅(qū)動的架構(gòu)；

通常我們會在MCU中會固化一段代碼，這段代碼可以產(chǎn)生驅(qū)動信號；然后驅(qū)動信號通過IPM間接驅(qū)動六個功率開關(guān)元器件（這里可以是MOSFET），從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場。

電機(jī)模型可以等效成三個星型連接的電感，所以我們需要做的工作就是如何去產(chǎn)生驅(qū)動信號。

這個驅(qū)動信號又符合什么樣的規(guī)律呢？下面我們進(jìn)一步介紹驅(qū)動信號。

這里其實(shí)是一種兩兩通電的方式。如果我們將 A 相上拉至高電平，然后在另一側(cè)將 B 相接地，則電流將從 VCC 流過A 相，中性點(diǎn)和 B 相，最終流向地。

因此，只需一個電流，我們就可以產(chǎn)生了四個不同的磁極，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子移動，內(nèi)部的電流走向如下圖所示；

其實(shí)電機(jī)內(nèi)部一般可以等效成一個星型的連接方式，A，B，C三相的中性點(diǎn)連接在一起，外部通過MOSFET或者IGBT組成功率開關(guān)元器件，進(jìn)行控制，所以這里也可以說明無刷直流電機(jī)，通常有U，V，W三條線引出來。

兩兩通電的其中一種狀態(tài)如下圖所示，此時的狀態(tài)可以標(biāo)注為a ，b-，c0，下面我們會進(jìn)一步進(jìn)行解釋；

首先規(guī)定一下我們的驅(qū)動電路的相應(yīng)符號：

• 使用SW1和SW2作為一個上下管驅(qū)動U，或者是a；
• 使用SW3和SW4作為一個上下管驅(qū)動V，或者是b；
• 使用SW5和SW6作為一個上下管驅(qū)動W，或者是c；

然后我們在這里規(guī)定：上管打開標(biāo)記為 ，下管打開標(biāo)記為-，上下管都不開標(biāo)記為0。

最終讓轉(zhuǎn)子朝一個方向旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動時序應(yīng)該是這樣的：

1. a ，b-，c0
2. a ，b0，c-
3. a0，b ，c-
4. a-，b ，c0
5. a-，b0，c
6. a0，b-，c

具體如下圖示：

驅(qū)動的六步方波時序正確之后，我們基本可以實(shí)現(xiàn)對無刷直流電機(jī)的開環(huán)控制驅(qū)動了；

具體的驅(qū)動時序可以簡單畫一下，對于每一相而言都需要六步的驅(qū)動時序，然后兩相之間的相位相差120°。

例如A相的六步相序需要比B相超前120°，B相需要比C相超前120°，

整體應(yīng)該如下圖所示；

下面是我實(shí)際過程中測試的上管的方波驅(qū)動信號，可以和A相，B相，C相的信號對應(yīng)起來。

閉環(huán)控制

實(shí)現(xiàn)開環(huán)運(yùn)行之后，就要進(jìn)行閉環(huán)控制了，首先有一點(diǎn)需要說明的是，前面的六步PWM時序，并沒有根據(jù)轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置進(jìn)行磁場的切換，所以可能出現(xiàn)的情況，就是失步，這個有點(diǎn)類似步進(jìn)電機(jī)。

結(jié)論就是實(shí)際磁場旋轉(zhuǎn)的速度可能遠(yuǎn)快于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速度，導(dǎo)致磁場的旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)子不同步，所以就造成了失步。

如果這里引入轉(zhuǎn)子的位置反饋量，就可以完美的解決這個問題，所以通常會加入霍爾傳感器來檢測實(shí)際的轉(zhuǎn)子位置。

轉(zhuǎn)子處于不同位置的時候霍爾傳感器會產(chǎn)生相應(yīng)的信號，并且還可以根據(jù)霍爾信號計(jì)算轉(zhuǎn)速，作為后面速度閉環(huán)的反饋值，霍爾信號具體如下圖所示；

一般來說增加了霍爾傳感器，在成本和電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度上都會大大增加，所以，這里可以通過檢測每一相的反電動勢（Back EMF)，來進(jìn)行位置的估算以及速度的計(jì)算。

無刷直流電機(jī)的反電動勢是梯形反電動勢，具體如下圖所示；

無感方波的驅(qū)動方式難點(diǎn)在于啟動和過零點(diǎn)的檢測上，通常啟動可以使用三段式啟動的方式，即轉(zhuǎn)子預(yù)定位，開環(huán)強(qiáng)拖，開環(huán)切閉環(huán)，這三個過程。

另外還可以進(jìn)行高頻注入的方式確定轉(zhuǎn)子的初始位置，然后直接進(jìn)行啟動，在過零點(diǎn)的檢測和換相存在一定的難度。

結(jié)論

本文簡單介紹了有刷直流電機(jī)和無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理，以及各自的優(yōu)勢。進(jìn)一步介紹了無刷直流電機(jī)的六步方波驅(qū)動原理，簡單提及了閉環(huán)控制中一些注意點(diǎn)。作者水平有限，文中難免存在不足和錯誤之處，請各位大佬不吝賜教。

好的，這期就先到這里，我們下期再見。

參考：

《無刷直流電機(jī)控制應(yīng)用-基于STM8S系列單片機(jī) - 李家慶》

https://en.wikipedia.org/wiki/Brushless_DC_electric_motor

—— The End?——
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