无刷直流电机的转子是怎么转动的呢？

无刷直流电机的基本工作原理是什么？
无刷直流电机的转子是怎么转动的呢？

怎样确定换向时机？
怎样控制无刷直流电机的方向和转速？

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陶天瑛

2021-7-23 14:48:39

无刷电机相信大家没听说过，生活或工作中都用过或接触过，今天分享一篇从基础开始描述无刷电机的文章。
电动机转动的原理
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。
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。
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。

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。

再弄一根，就可以构成电机的三相绕组。

再加上永磁体做成的转子，就是一个无刷直流电动机了。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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
4.1. 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。
4.2. 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。

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。

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。

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