BLDC電機的驅動原理詳解

大家好，我是盲僧，最近這段時間在研究BLDC電機，在這里順便總結和分享一下BLDC的驅動原理。

有刷直流電機

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

結構

有刷直流電機發明于 19 世紀，現在應用仍然很普遍，相比較于無刷直流電機，它的結構會更加復雜，通常電機內部結構的組件都包括轉子和定子；

轉子就是旋轉的；

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；

而另一個就是線圈繞組，經過交變電流之后，會產生變化的磁場，從而推動電機的轉子進行旋轉。

下面是我小時候玩的四驅車里拆下來的電機；

內部結構圖

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的模型，我們來簡單分析一下它的旋轉原理；

狀態一

首先這里的轉子是勵磁繞組，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，

假設我們給線圈通電，這時候會在電樞周圍產生磁場。由于同極相斥，電樞的左側被推離左側，電樞的右側被拉向右側，從而導致轉子旋轉。

這里電樞是轉子，而永磁體是定子，其中用藍色表示N極，紅色表示S極；

狀態二

電樞繼續旋轉。當電樞與水平垂直時，即電樞產生的磁場與永磁體產生的磁場垂直，換向器反轉改變了通過線圈的電流方向，使磁場反轉。因此轉子可以繼續旋轉。

狀態三

重復以上過程，轉子就開始旋轉了，如下圖所示；

旋轉過程

其實最簡單的運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），這個線圈可能會轉的更快；

線圈旋轉

所以有刷直流電機可以很簡單地轉動起來，因為電機內部已經幫你做好了換向的工作，所以通?？梢赃M行升壓和降壓調速，通常這里的做法是PWM，加上功率元器件，實現弱電控制強電，這有一部分屬于電力電子的范疇了。

最常經常使用的就是H橋驅動電路了，可以簡單的控制電機的正轉和反轉，還能通過控制PWM的占空比進行調速，整體電路如下所示；

H橋電路

有刷直流電機雖然換相簡單，控制簡單，但是結構相對復雜，并且在換相的時候，容易產生火花。

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

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

無刷直流電機

直流無刷電機從結構上，比直流有刷電機少了電刷和換向器，所以內部結構無法自己完成換相的操作，因此就需要外部驅動信號進行換向。

這里我們還是從內部結構作為切入點，對其驅動時序進行分析，結果就會變得清晰起來。

結構

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，它通常有三條線，U，V，W，當然航模上還需要配置一個電調(ESC)——作為電機的驅動器。

這里的電調往往有兩種驅動方式，六步方波，或者FOC驅動，下面主要對六步方波驅動方式進行分析。

無刷直流電機

我們先看一下直流無刷的內部結構，通常是這樣的，這里由定子和轉子構成，是電樞繞組，轉子是永磁體；兩對極電機，分別是U1，V1，W1，U2，V2，W2，后面我們會進一步進行介紹。具體如下圖示；

2對極BLDC內部結構

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

右手螺旋定則

換相原理

這里我們簡單介紹一下轉子旋轉的過程，即無刷直流電機的換相原理：

首先我們對電樞繞組施加適當大小的電流，線圈將產生一個磁場，該磁場將吸引轉子的永磁體；

如果我們一個接一個地激活每個線圈，這樣可以產生一個旋轉的磁場，由于永磁體和電磁體之間的力相互作用，轉子將在旋轉的磁場作用下繼續旋轉。

具體如下圖所示；

旋轉磁場

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

共同通電

初步了解了內部的結構和通電機制之后，我們就需要產生相應的驅動信號去產生旋轉的磁場，帶動轉子轉動。如下圖所示，這是一個簡單的驅動的架構；

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

電機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生驅動信號。

這個驅動信號又符合什么樣的規律呢？下面我們進一步介紹驅動信號。

硬件架構圖

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

因此，只需一個電流，我們就可以產生了四個不同的磁極，從而導致轉子移動，內部的電流走向如下圖所示；

兩兩通電的情況

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

兩兩通電的其中一種狀態如下圖所示，此時的狀態可以標注為a+，b-，c0，下面我們會進一步進行解釋；

兩兩通電外部結構圖

首先規定一下我們的驅動電路的相應符號：

使用SW1和SW2作為一個上下管驅動U，或者是a；

使用SW3和SW4作為一個上下管驅動V，或者是b；

使用SW5和SW6作為一個上下管驅動W，或者是c；

然后我們在這里規定：上管打開標記為+，下管打開標記為-，上下管都不開標記為0。

最終讓轉子朝一個方向旋轉的驅動時序應該是這樣的：

a+，b-，c0

a+，b0，c-

a0，b+，c-

a-，b+，c0

a-，b0，c+

a0，b-，c+

具體如下圖示：

六步方波

驅動的六步方波時序正確之后，我們基本可以實現對無刷直流電機的開環控制驅動了；

具體的驅動時序可以簡單畫一下，對于每一相而言都需要六步的驅動時序，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°，

整體應該如下圖所示；

驅動信號時序

下面是我實際過程中測試的上管的方波驅動信號，可以和A相，B相，C相的信號對應起來。

實測波形

閉環控制

實現開環運行之后，就要進行閉環控制了，首先有一點需要說明的是，前面的六步PWM時序，并沒有根據轉子的實際位置進行磁場的切換，所以可能出現的情況，就是失步，這個有點類似步進電機。

結論就是實際磁場旋轉的速度可能遠快于轉子旋轉的速度，導致磁場的旋轉速度和轉子不同步，所以就造成了失步。

如果這里引入轉子的位置反饋量，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際的轉子位置。

轉子處于不同位置的時候霍爾傳感器會產生相應的信號，并且還可以根據霍爾信號計算轉速，作為后面速度閉環的反饋值，霍爾信號具體如下圖所示；

霍爾信號

一般來說增加了霍爾傳感器，在成本和電機的結構復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)，來進行位置的估算以及速度的計算。

無刷直流電機的反電動勢是梯形反電動勢，具體如下圖所示；

反電動勢

無感方波的驅動方式難點在于啟動和過零點的檢測上，通常啟動可以使用三段式啟動的方式，即轉子預定位，開環強拖，開環切閉環，這三個過程。

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

結論

本文簡單介紹了有刷直流電機和無刷直流電機的結構和原理，以及各自的優勢。進一步介紹了無刷直流電機的六步方波驅動原理，簡單提及了閉環控制中一些注意點。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。