无刷直流电机的基本工作原理
作者：涅哀
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先说电动机的基本原理吧。有基础的可以直接跳过。大家小时候都玩过磁铁吧，异极相吸，两磁铁一靠近“啪”就撞上了。<img src="https://picx.zhimg.com/50/v2-c346ed3c046722f4ba25c64f118f23a5_720w.jpg?source=1940ef5c" data-caption="" data-size="small" data-rawwidth="1102" data-rawheight="782" data-original-token="v2-cab8372dc1f816ef5219d3a0dd433bf2" data-default-watermark-src="https://pic1.zhimg.com/50/v2-d8ea4215f456e39ef786ea8afb53f612_720w.jpg?source=1940ef5c" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="1102" data-original="https://picx.zhimg.com/v2-c346ed3c046722f4ba25c64f118f23a5_r.jpg?source=1940ef5c"/>现在假设你的手速足够快，拿着一块磁铁在前面疯狂勾引，那么另外一块磁铁就一直跟着你。你的手拿着磁铁画圈圈，另外一块磁铁也跟着你转圈圈。<img src="https://pica.zhimg.com/50/v2-1a3073d3aed6c14eeb82e38a225ce665_720w.jpg?source=1940ef5c" data-caption="" data-size="normal" data-rawwidth="1840" data-rawheight="591" data-original-token="v2-34424298c55a50542ebfb1176d0a0a45" data-default-watermark-src="https://pic1.zhimg.com/50/v2-7b7df1549d99461af62747066d29ef10_720w.jpg?source=1940ef5c" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="1840" data-original="https://pica.zhimg.com/v2-1a3073d3aed6c14eeb82e38a225ce665_r.jpg?source=1940ef5c"/>以上，就是电动机转动的基本原理了。只不过是在前面用来勾引的“磁铁”不是真的磁铁，而是由线圈通电后生成的磁场。1. 无刷直流电机简介无刷直流电机，英语缩写为BLDC（Brushless Direct Current Motor）。电机的定子（不动的部分）是线圈，或者叫绕组。转子（转动的部分）是永磁体，就是磁铁 。根据转子的位置，利用单片机来控制每个线圈的通电，使线圈产生的磁场变化，从而不断在前面勾引转子让转子转动，这就是无刷直流电机的转动原理。下面深入一下。2. 无刷直流电机的基本工作原理2.1. 无刷直流电机的结构首先先从最基本的线圈说起。如下图。可以将线圈理解成长得像弹簧一样的东西。根据初中学过的右手螺旋法则可知，当电流从该线圈的上到下流过的时候，线圈上面的极性为N，下面的极性为S。<img src="https://pic1.zhimg.com/50/v2-cc753f76bebd1460694ba820e5be25ea_720w.jpg?source=1940ef5c" data-caption="" data-size="small" data-rawwidth="802" data-rawheight="765" data-original-token="v2-c83685d26ee17eb84ce7c688e7f31e9e" data-default-watermark-src="https://picx.zhimg.com/50/v2-dfd429e96968626210e05db580cd2a38_720w.jpg?source=1940ef5c" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="802" data-original="https://picx.zhimg.com/v2-cc753f76bebd1460694ba820e5be25ea_r.jpg?source=1940ef5c"/>现在再弄一根这样的线圈。然后摆弄一下位置。这样如果电流通过的话，就能像有两个电磁铁一样。<img src="https://pic1.zhimg.com/50/v2-c9df550ddcc6d72a785f3e27745660c4_720w.jpg?source=1940ef5c" data-caption="" data-size="small" data-rawwidth="1105" data-rawheight="1118" data-original-token="v2-bab10524e0895191b5725310162d3ec5" data-default-watermark-src="https://picx.zhimg.com/50/v2-b49797459cbc5271dec92163eeb92d4a_720w.jpg?source=1940ef5c" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="1105" data-original="https://pic1.zhimg.com/v2-c9df550ddcc6d72a785f3e27745660c4_r.jpg?source=1940ef5c"/>再弄一根，就可以构成电机的三相绕组。<img src="https://picx.zhimg.com/50/v2-30213a4dc93260a6fbcff4e7729f6f20_720w.jpg?source=1940ef5c" data-caption="" data-size="small" data-rawwidth="1111" data-rawheight="1054" data-original-token="v2-32150001ffd6fcf92c0ad38b499217a1" data-default-watermark-src="https://picx.zhimg.com/50/v2-1a11251189250867bab74b6deb0f9fc7_720w.jpg?source=1940ef5c" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="1111" data-original="https://picx.zhimg.com/v2-30213a4dc93260a6fbcff4e7729f6f20_r.jpg?source=1940ef5c"/>再加上永磁体做成的转子，就是一个无刷直流电动机了。<img src="https://picx.zhimg.com/50/v2-ea598e21f4b35d7fe084d9acea37da1d_720w.jpg?source=1940ef5c" data-caption="" data-size="small" data-rawwidth="1111" data-rawheight="1192" data-original-token="v2-5b3917002c6ce4ebaf2ca3a1c4dc8079" data-default-watermark-src="https://picx.zhimg.com/50/v2-61712b797f83023631ebbdcf34653ff9_720w.jpg?source=1940ef5c" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="1111" data-original="https://pica.zhimg.com/v2-ea598e21f4b35d7fe084d9acea37da1d_r.jpg?source=1940ef5c"/>2.2. 无刷直流电机的电流换向电路无刷直流电机之所以既只用直流电，又不用电刷，是因为外部有个电路来专门控制它各线圈的通电。这个电流换向电路最主要的部件是FET（场效应晶体管，Field-Effect Transitor）。可以把FET看作是开关。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。<img src="https://picx.zhimg.com/50/v2-eb0bee73020b25a73aa6656b8002a429_720w.jpg?source=1940ef5c" data-caption="" data-size="small" data-rawwidth="1303" data-rawheight="1210" data-original-token="v2-de683b2db14a485b07f40f63aab10ec8" data-default-watermark-src="https://pica.zhimg.com/50/v2-0365f31c77c1e93e3d26153d5ea3ef0c_720w.jpg?source=1940ef5c" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="1303" data-original="https://picx.zhimg.com/v2-eb0bee73020b25a73aa6656b8002a429_r.jpg?source=1940ef5c"/>2.3. 无刷直流电机的电流换向过程FET的“开合”时机是由单片机控制的。最常用的电流换向方法是 Six-step Commutation，翻译过来是“六步换向”。现在建个坐标系。六步换向的过程如下表。<img src="https://picx.zhimg.com/50/v2-94e493723d3a32707580d004e06a6953_720w.jpg?source=1940ef5c" data-caption="" data-size="normal" data-rawwidth="1868" data-rawheight="1387" data-original-token="v2-420d4bc28a9a0dfb31bb2fc9bffb409e" data-default-watermark-src="https://pica.zhimg.com/50/v2-6b76a29daaf9caf6433d7276a29fe360_720w.jpg?source=1940ef5c" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="1868" data-original="https://picx.zhimg.com/v2-94e493723d3a32707580d004e06a6953_r.jpg?source=1940ef5c"/>2.4. 无刷直流电机的转子是怎么转动的呢？靠的就是用六步换向生成一个旋转的磁场，在转子的前方不断勾引。就像文章开头那只拿着磁铁画圈圈的手一样。如果你看合成的磁场方向和转子所在的位置的话，就一目了然了。<img src="https://picx.zhimg.com/50/v2-f5308ccd5e037b288c328267c9e2eb12_720w.jpg?source=1940ef5c" data-caption="" data-size="normal" data-rawwidth="1440" data-rawheight="866" data-original-token="v2-e5838bd82599aab2e78e4dff53b83d8f" data-default-watermark-src="https://picx.zhimg.com/50/v2-6eff9a5495d7b8b9504ae56bab1de1e4_720w.jpg?source=1940ef5c" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="1440" data-original="https://picx.zhimg.com/v2-f5308ccd5e037b288c328267c9e2eb12_r.jpg?source=1940ef5c"/>你看，合成的磁场的S极一直在转子N极的前面等着。只要把握好线圈通电的时机，让合成磁场的方向一直提前于转子的位置，转子就会一直屁颠屁颠地跟着。3. 怎样确定换向时机？上面说过，控制转子转动的关键是，等转子转到合适的角度时，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，令转子转动。那这个电流换向的时机应该怎么把握呢？也就是说，我要怎么样知道现在转子转动到什么位置？知道转子在哪我才知道要通哪两相的电啊。其实判断转子位置的方法挺多，用传感器也行，不用传感器也行。先说用传感器的，传感器一般用霍尔传感器（Hall Sensor）。3.1. 用传感器确认转子位置3.1.1. 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。根据高中物理所学的左手定则（用来判断带电导体在磁场中的受力方向），在霍尔传感器所在的回路中，磁场使带电粒子的运动发生偏转，带电粒子“撞到”霍尔传感器的两边，产生电位差。这时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。<img src="https://picx.zhimg.com/50/v2-f6fc6b6ff137e00d3614941ebc89885a_720w.jpg?source=1940ef5c" data-caption="" data-size="normal" data-rawwidth="1633" data-rawheight="674" data-original-token="v2-f3df2b4b530fbbb5472eb73c27491735" data-default-watermark-src="https://picx.zhimg.com/50/v2-f705e2fe876d0d112d0985b756f2f567_720w.jpg?source=1940ef5c" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="1633" data-original="https://picx.zhimg.com/v2-f6fc6b6ff137e00d3614941ebc89885a_r.jpg?source=1940ef5c"/>3.1.2. 霍尔传感器怎样得到转子的位置？有了霍尔传感器，就能大致知道转子的位置了。霍尔传感器一般是每隔120°安装，或者每隔60°安装。下面假设是每隔120°安装的。假设转子N极划过霍尔传感器的感应区域时，霍尔传感器的输出电压为高（一般5V）。反之为低。<img src="https://picx.zhimg.com/50/v2-28b9e05d22cafe7b1b356aac5d324ef3_720w.jpg?source=1940ef5c" data-caption="" data-size="normal" data-rawwidth="1925" data-rawheight="1210" data-original-token="v2-de48a756822b32776dfc9e0ef67ae74c" data-default-watermark-src="https://picx.zhimg.com/50/v2-fc193bd015a9c1d31f31db897f9d9e48_720w.jpg?source=1940ef5c" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="1925" data-original="https://pic1.zhimg.com/v2-28b9e05d22cafe7b1b356aac5d324ef3_r.jpg?source=1940ef5c"/>根据HA，HB，HC的电平，可以知道转子所处位置的角度。比如，若HA高，HB低，HC低，我们能够知道转子处于180度～240度的电气角度之间（电气角度和实际机械角度的关系等下说）。使用3个霍尔传感器时，分辨率是60度的电气角度。就是说我只能知道现在转子的位置在60°电气角度范围内，但准确具体多少度我们不知道。3.1.3. 电气角度和机械角度关系虽然在这里插入这么个小知识有点怪，但我还是觉得有必要的，因为我觉得当时学的时候不太好理解。在这里配合霍尔传感器的实例说可能好懂一点。机械角度就是电动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。因为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，我们只关心电气角度就好。<img src="https://picx.zhimg.com/50/v2-7a85179d19b31784b8cf42e9de7d4332_720w.jpg?source=1940ef5c" data-caption="" data-size="normal" data-rawwidth="1791" data-rawheight="898" data-original-token="v2-22892958b144833d1dc437b560c87740" data-default-watermark-src="https://pic1.zhimg.com/50/v2-f9c6b2b57573e49c8019e3241f37d1e6_720w.jpg?source=1940ef5c" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="1791" data-original="https://picx.zhimg.com/v2-7a85179d19b31784b8cf42e9de7d4332_r.jpg?source=1940ef5c"/>电气角度 = 极对数 x 机械角度3.2. 无传感器时估计转子位置的方法这个坑有点大，这个答案就先略过了。4. 无刷直流电机的转速和旋转方向4.4. 怎样控制无刷直流电机转动的方向？改变电流换向的次序即可。让线圈合成的磁场方向反方向旋转起来。4.5. 怎样控制无刷直流电机的转速？线圈两端的电压越大，通过线圈的电流越大，生成磁场越强，转子转动得就越快。因为接的电源是直流的，所以我们通常用PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）来控制线圈两端电压的大小。PWM的简单原理如下。<img src="https://pic1.zhimg.com/50/v2-633ba1e531bd078e7ca1775a6e2417b8_720w.jpg?source=1940ef5c" data-caption="" data-size="normal" data-rawwidth="1644" data-rawheight="631" data-original-token="v2-71217eafd4f9a715402cb234972f3174" data-default-watermark-src="https://picx.zhimg.com/50/v2-8eb472f97eb5cfc6dc736f5e0bf7f76d_720w.jpg?source=1940ef5c" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="1644" data-original="https://pica.zhimg.com/v2-633ba1e531bd078e7ca1775a6e2417b8_r.jpg?source=1940ef5c"/>所以给无刷直流电机通电的时候，用单片机产生的PWM不断地控制FET的开合，能使线圈反复处于通电断电，通电断电的状态。通电时间长（Duty大），线圈两端的等效电压就大，产生的磁场强度就强，转子转动就快；通电时间短（Duty小），线圈两端的等效电压就小，产生的磁场强度就弱，转子转动就慢。PWM波形接到FET的Gate（门极）上，控制FET的开合。假设Gate上的电压为高时，FET闭合导通；Gate上的电压为低时，FET断开不通电。而且同一相上的上下两个FET须由反相的PWM波形控制，以防止上下两个FET同时导通，造成电流不通过电机而上下相同，造成短路。控制FET的PWM波形如下。<img src="https://picx.zhimg.com/50/v2-bb784418b7c2c4d792d11ebba6620b20_720w.jpg?source=1940ef5c" data-caption="" data-size="normal" data-rawwidth="1872" data-rawheight="1440" data-original-token="v2-e7c2615ec68e4c2490b02d73fb489eee" data-default-watermark-src="https://picx.zhimg.com/50/v2-2fda6a2360c295d0ffef7fb9cc023fe6_720w.jpg?source=1940ef5c" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="1872" data-original="https://picx.zhimg.com/v2-bb784418b7c2c4d792d11ebba6620b20_r.jpg?source=1940ef5c"/>尾记综上，无刷直流电机的关键有三点：线圈绕组电流的换向顺序。电流的换向顺序决定了由线圈产生的磁场的旋转方向，从而决定了转子的转动方向霍尔传感器或其它手段来估计永磁体转子所处的位置，用于决定电流什么时候换向使用单片机产生的PWM波形来控制电机绕组的通电时间，来控制转子转动的速度看懂了的点个赞。有补充的请评论。
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