直流无刷电机（一）
一、 直流无刷电机的简介
直流无刷电机(Brushless Direct Current Motor，简称 BLDCM），没有了直流有刷电机中的电刷和换向器等结构。线圈绕组不参与旋转，而是作为定子，永磁体作为转子，需要通过控制线圈电流方向来改变磁场方向从而使转子持续旋转。无刷电机绕组通常是 3 组，并且只有 3 个引出接线端子，一般为星形接法，3 组线圈的起始端通过电机内部连接到一起，剩余的一端引出作为电机的引线。无刷电机的换向需要根据转子位置确定，一般无用霍尔传感器提供转子位置信息。也可以通过无感的方式，用仅有的 3 根电机线来分析和确定转子的位置、转速等信息。
1. 直流无刷电机与直流有刷电机的特点
有刷电机与无刷电机之间最大的结构区别在于： 无刷电机没有电刷以及换向器； 并且无刷电机的线圈绕组不参与旋转，而是作为定子，永磁体作为转子， 与有刷电机是相反的结构。
2. 无刷电机相对有刷电机的优缺点
优点：干扰小、 噪音低、 运转流畅、 高速而且寿命更长。
缺点：控制较为复杂、 成本比有刷电机贵。
3. 直流无刷电机的分类
以驱动方式进行区分：
4. BLDC 和 PMSM 的区别
最主要的区别就是反电动势不同， BLDC 接近于方波， PMSM 接近于正弦波。
| 不同点 | BLDC | PMSM |
| 反电动势 | 具有梯形反电动势 | 具有正弦波反电动势 |
| 运行电流 | 梯形波电流 | 正弦波电流 |
| 绕组方式 | 定子绕组为集中绕组，永磁转子形成方波磁场 | 定子绕组为短距分布绕组，永磁转子形成正弦磁场 |
| 控制方式 | 控制算法相对简单 | 控制算法复杂（FOC） |
| 运行方式 | 绕组两两导通 | 绕组三相全部导通 |
二、无刷电机重要参数
- 转矩(力矩、扭矩）电机中转子产生的可以用来带动机械负载的驱动力矩。
- 转速: 电机每分钟的转速。
- 最大电流：电机能够承受并安全工作的最大电流。
- 最大功率：超过了这个最大功率，就会导致电机高温烧毁。
1. 机械角度
指转子实际旋转的物理角度，反映电机结构的空间位置（几何位置）。
2. KV值
电机的运转速度，值越大电机转速越大。电机转速 = KV 值 * 工作电压。绕线匝数多的， KV 值低，最高输出电流小，扭力大；线匝数少的， KV 值高，最高输出电流大，扭力小；
3. 极对数
一般为电机转子内部磁场中 成对磁极（N/S极）的数量（最少一对极）。
极对数 p = 磁极总数 / 2（磁极成对出现），常见的电机极数有2极、4极、6极、8极等。
极数越多，转速越低，扭矩越大，反之转速快，扭矩小。
- 低极对数（如 p=1p=1）：转速高（3000 rpm @50Hz），适用于风扇、高速机械臂 。
- 高极对数（如 p=8p=8）：扭矩大（转速750 rpm），适用于起重机、电动汽车。
4. 槽数
槽数：定子铁芯上用于嵌放绕组的 凹槽总数，通常为 3的倍数。
- 与极对数配合决定绕组布局（如集中绕组或分布绕组）
- 影响磁场谐波、效率及噪声：槽数越多，谐波越小，振动噪声越低。
5. 电角度
基于磁场周期性变化定义的抽象角度，描述磁场或电势变化的周期数。
电角度 = 机械角度 × 极对数（P）
示例：4极电机（P=2），转子转1圈（360°机械角）时，电角度为720°（磁场完成2个完整周期）。
6. 槽极比（Z/2p）
表示每对磁极对应的槽数比例，公式为槽极比=Z/2p，其中 Z 为定子槽总数，p 为转子磁极对数（极数为 2p）。
- 高槽极比（如 Z/(2p) > 10Z/(2p) > 10）优化磁场均匀性，降低铁损和噪声，但制造成本高。
- 低槽极比（如 Z/(2p) < 5Z/(2p) < 5）结构简单，适用于高速电机，但谐波失真大。
- 避免共振：确保 Z=2p±1，否则易引发电磁振动。
7. 参数示例
- 槽数：3；极对数：2； 机械角度360°对应电角度为360*2=720°。
- 槽数：6；极对数：4； 机械角度360°对应电角度为360*4=1440°。
- 槽数：9；极对数：6； 机械角度360°对应电角度为360*6=2160°。
- 槽数：12；极对数：8； 机械角度360°对应电角度为360*8=2880°。
三、直流无刷电机的基本控制原理
1. 六步换向简介
安培定则， 也叫右手螺旋定则，是表示电流和电流激发磁场的磁感线方向间关系的定则。
N极与S极相互吸引，N极与N极和S极与S极相互排斥：
无刷电机利用了通电线圈和永磁体的相互作用原理，使其产生安培力驱动电机转子转动。
无刷电机的 3 根电机线按顺序依次叫 U 相线(一般为黄色)， V 相线(一般为绿色)和 W 相线(一般为蓝色)， 3 组漆包线绕组的一端连接在一起。无刷电机一般都有很多极对数，但整体还是按照UVW线序，如图：
所以为了方便分析，简化为UVW三个极对数，如图：
BLDC 的运行方式为绕组两两导通，所以三相线圈的导通组合只有 6 种通电情况，根据合理的顺序依次切换通电顺序即可让转子跟着磁场转起来。如下图：
以上工作也称之为6步换向，具体操作如下：
在U端接入正电压，W端接入负电压，V端悬空，转子将会旋转至图中1的位置。
在1的基础上，U端接入正电压，V端接入负电压，W端悬空，转子将会从1的位置旋转至图中2的位置。
在2的基础上，W端接入正电压，V端接入负电压，U端悬空，转子将会从2的位置旋转至图中3的位置。
在3的基础上，W端接入正电压，U端接入负电压，V端悬空，转子将会从3的位置旋转至图中4的位置。
在4的基础上，V端接入正电压，U端接入负电压，W端悬空，转子将会从4的位置旋转至图中5的位置。
在5的基础上，V端接入正电压，W端接入负电压，V端悬空，转子将会从5的位置旋转至图中6的位置。
顺序相反则无刷电机会反向旋转。
重点提示：六步换向的六步是指一次完整的电气角度360°需要6次，即每60°电气角度换向一次。
2. 驱动电路
为了完成以上步骤，单片机的PWM是无法驱动电路的，所以需要专门的驱动芯片结合三相逆变驱动电路来驱动电机转动。
三相逆变电路：由三个半桥构成的电路， Q0与 Q1为一个半桥，Q2与 Q3以及 Q4与 Q5各自又为一个半桥，共三个半桥。这三个半桥各自控制对应的 A、 B、C 三相绕组。
所以只要控制三个半桥对应的“上桥臂导通”或者“下桥臂导通”就可以实现以上6步换向了，需要注意的是同侧半桥上下桥臂不可以同时导通，否则会短路把电机烧坏。
以下图就是通过三相逆变电路实现的6步换向：
1. U端接入正电压，W端接入负电压。
2. U端接入正电压，V端接入负电压。
3. W端接入正电压，V端接入负电压。
4. W端接入正电压，U端接入负电压。
5. V端接入正电压，U端接入负电压。
6. V端接入正电压，W端接入负电压。
搭建好驱动电路之后基本可实现无刷电机的开环转动。
四、开环换向时间的计算
以上知道六部换向原理，但是我们应该什么时候去换向？
1. 以下有三种方式
- 通过无刷电机的特性计算换向时间，当达到换向时间就进行换向。
- 通过霍尔传感器检测电角度进行换向（后续讲解）。
- 通过检测反电动势来检查过零点来进行换向（无感无刷）（后续讲解）。
开环控制的方式并没有实际上的作用，稳定性不足，但是对于无感无刷控制可提供开环启动过程，由于无感无刷是通过反电动势来进行闭环控制，其需要转动才能检测到明显的反电动势。
2. 换向时间的计算
换向时间通常是基于电机转子的转动速度和定子的极对数来计算的，换向时间的计算与以下因素有关：
- 电机的极对数（P）。
- 电机的转速（n）。
- 驱动信号的频率（f）。
换向的本质是改变电流方向，使定子产生新的磁场，以便转子能够继续按预定的方向转动。无刷电机的转速决定了换向发生的频率，即换向的时间间隔。换向频率（换向时间的倒数）与转速（RPM）密切相关。
换向周期：电机的每个极对在一周内需要换向一次。
对于一个有 PP 极对的电机来说，每分钟的换向次数是：
- fswap 是换向时间间隔（单位：秒）
- n 是电机转速（单位：RPM）
- P 是电机的极对数（单位：个极对）
计算换向时间间隔：将换向频率的倒数作为换向的时间间隔。
3. 换向时间的实例
假设有一个电机，其转速为3000 RPM，极对数为4，那么其换向时间间隔可以计算如下：
- 转速 n=3000RPM
- 极对数 P=4
换向时间间隔：
这意味着电机每0.08秒就进行一次换向。
注：上述计算的换向时间是稳定转速情况下的时间，实际是有启动过程，其换向时间应该是慢慢较小的。保守启动策略：初始换向时间设为理论值的1.5~2倍，避免失步，且初始PWM不能太大。
五、开环启动阶段换变化到开环稳定控制
换向时间需遵循阶梯递减规律动态调整，以实现平稳加速至开环稳定状态。具体变化策略如下：
1. 换向时间变化逻辑
以上述例子为例：
- （1）初始保守设定
启动初期换向时间 t0 设为理论值的 1.5~2倍，避免转子惯性导致失步。理论计算公式为：
初始值设为 0.12s~0.16s。
- （2）加速过程动态压缩
随转速上升，换向时间按 指数或线性规律递减：
- 分段加速策略：将加速过程分为3~5个速度段，每段独立配置递减率10；
- 递减公式：
，典型衰减系数
（每5~10ms压缩一次。
- 终点收敛：最终逼近理论换向时间 t理论。
2. 协同PWM占空比调整
换向时间压缩需与 PWM占空比递增 同步进行，确保转矩持续增长：
PWM占空比：阶梯式递增（如每5ms增加5%）。
换向时间间隔： 占空比提升后同步压缩时间间隔。
示例：初始占空比≤10%，加速末期增至目标值（如70%）
注：上面只是一种解决办法，也可采用其他方式。
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