無刷直流電機簡介

無刷直流電機，英語縮寫為BLDC（Brushless Direct Current Motor）。電機的定子是線圈，或者叫繞組。轉(zhuǎn)子是永磁體，就是磁鐵 。根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置，利用單片機來控制每個線圈的通電，使線圈產(chǎn)生的磁場變化，從而不斷在前面勾引轉(zhuǎn)子讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，這就是無刷直流電機的轉(zhuǎn)動原理。下面深入一下。

無刷直流電機的結(jié)構(gòu)

首先先從最基本的線圈說起。如下圖?？梢詫⒕€圈理解成長得像彈簧一樣的東西。根據(jù)初中學(xué)過的右手螺旋法則可知，當(dāng)電流從該線圈的上到下流過的時候，線圈上面的極性為N，下面的極性為S。

現(xiàn)在再弄一根這樣的線圈。然后擺弄一下位置。這樣如果電流通過的話，就能像有兩個電磁鐵一樣。

再弄一根，就可以構(gòu)成電機的三相繞組。

再加上永磁體做成的轉(zhuǎn)子，就是一個無刷直流電動機了。

無刷直流電機的電流換向電路

無刷直流電機之所以既只用直流電，又不用電刷，是因為外部有個電路來專門控制它各線圈的通電。這個電流換向電路最主要的部件是FET（場效應(yīng)晶體管，F(xiàn)ield-EffectTransitor）?？梢园袴ET看作是開關(guān)。下圖將FET標(biāo)為AT（A相Top），AB（A相Bottom），BT，BB，CT，CB。FET的“開合”是由單片機控制的。

用霍爾傳感器確認轉(zhuǎn)子位置

霍爾傳感器通過霍爾效應(yīng)（Hall Effect），能檢測出磁場強度的變化。根據(jù)高中物理所學(xué)的左手定則（用來判斷帶電導(dǎo)體在磁場中的受力方向），在霍爾傳感器所在的回路中，磁場使帶電粒子的運動發(fā)生偏轉(zhuǎn)，帶電粒子“撞到”霍爾傳感器的兩邊，產(chǎn)生電位差。這時就可以用電壓計接到霍爾傳感器的兩邊，檢測出這種電壓變化，從而檢測出磁場強度的變化，原理如下圖所示。

電氣角度和機械角度關(guān)系

雖然在這里插入這么個小知識有點怪，但我還是覺得有必要的，因為我覺得當(dāng)時學(xué)的時候不太好理解。在這里配合霍爾傳感器的實例說可能好懂一點。機械角度就是電動機轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)過的角度。電氣角度和機械角度的關(guān)系與轉(zhuǎn)子的極對數(shù)有關(guān)。

電氣角度 = 極對數(shù) x 機械角度

因為實際上線圈生成的磁場要吸引的是轉(zhuǎn)子的磁極。所以對于電機的轉(zhuǎn)動控制來說，我們只關(guān)心電氣角度就好。

怎樣控制無刷直流電機的轉(zhuǎn)速？

線圈兩端的電壓越大，通過線圈的電流越大，生成磁場越強，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動得就越快。因為接的電源是直流的，所以我們通常用PWM（PulseWidthModulation，脈沖寬度調(diào)制）來控制線圈兩端電壓的大小。PWM的簡單原理如下。

所以給無刷直流電機通電的時候，用單片機產(chǎn)生的PWM不斷地控制FET的開合，能使線圈反復(fù)處于通電斷電，通電斷電的狀態(tài)。通電時間長（Duty大），線圈兩端的等效電壓就大，產(chǎn)生的磁場強度就強，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動就快；通電時間短（Duty小），線圈兩端的等效電壓就小，產(chǎn)生的磁場強度就弱，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動就慢。

PWM波形接到FET的Gate（門極）上，控制FET的開合。假設(shè)Gate上的電壓為高時，F(xiàn)ET閉合導(dǎo)通；Gate上的電壓為低時，F(xiàn)ET斷開不通電。

而且同一相上的上下兩個FET須由反相的PWM波形控制，以防止上下兩個FET同時導(dǎo)通，造成電流不通過電機而上下相同，造成短路。

無刷直流電機的關(guān)鍵有三點：

線圈繞組電流的換向順序。電流的換向順序決定了由線圈產(chǎn)生的磁場的旋轉(zhuǎn)方向，從而決定了轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向

霍爾傳感器或其它手段來估計永磁體轉(zhuǎn)子所處的位置，用于決定電流什么時候換向

使用單片機產(chǎn)生的PWM波形來控制電機繞組的通電時間，來控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的速度

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