浅析无刷直流电机的控制和调速方法

电机，存在于我们生活中的方方面面。小到玩具车几毛钱成本的小马达，大到汽车高铁上百马力甚至轮船航母上万马力的电动机。电机可以起到电能和机械能相互转化的作用，发电机和电动机均被称作电机。除了太阳能电站和电池外，剩下的发电设施都要用到电机。泵的工作，机械臂运动，风扇转动和机床工作等等，消耗掉了发电站发出来的绝大部分的电能。

直流电机是应用很早的电机。通电线圈在电机内永磁体或励磁线圈产生的磁场作用下发生转动。对于极对数为一，即含有一对磁极的电机来说，极间距为180°，而早期直流电机转子为通电线圈，每半圈电流要进行一次换向。故出现了换向器和电刷。由于二者每半圈就要重新接触一次，所以会产生电火花。换向器工艺复杂，所以电刷采用石墨材料已减少磨损成本。一段时间既要换一次电刷。所以直流电机不仅应用场合极为受限，不能用在易燃易爆等场所，维护也很麻烦成本很高。

那么，能不能将永磁体作为转子，而把须通电的线圈作为定子呢?这样即可解决换电刷的烦恼，也能避免电火花的产生。其实，目前的一种新型特种电机——无刷直流电机(BLDC)，就采用了这种结构。说是直流电机，但事实上并不算是直流电机。大体思路是通过控制线圈通电的顺序，对向线圈分到一组，同时通电流，使之产生相同方向的磁场。以三相BLDC为例，该电机极对数为三，让每对“磁极”分别按一定顺序导通，达到相当于磁场转起来的效果。中间的永磁体转子在磁场作用下总是有保持磁场方向相同的运动趋势，便会“跟随”转动的磁场转动。相当于不断改变通电顺序来达到使定子“转”起来的目的。

让三个线圈按顺序通断需要采用一定的控制策略。图中H1H2H3为三个安放在励磁线圈气隙处的Hall传感器，作为检测磁场的元器件，可以根据磁场方向变换电压，其输出为数字信号。举个例子，如果传感器面临的是N极则输出高电平即逻辑信号‘1’，反之则输出‘0’。这样，三个Hall传感器的输出信号按一定顺序排列，其中必有两位是‘1’一位是‘0’，我们便可以根据返回的三位二进制数字来判断转子的转动状态。

而采用三相虽然控制上比两相困难，但不需要进行死区判断。因为只要通电，Hall传感器即会返回当前转子的状态，而根据这个状态，按照下一时序对定子线圈进行通电，转子磁场和定子磁场一定有夹角，其一定会转起来。这样，无需判断电机是否为刚启动的状态，只需要按照Hall传感器发回的工作状态执行下一步的命令即可。其发出的命令就是三对线圈的通断，理论上可以通过三个开关控制。实际上这些开关是通过三极管来实现的。所以只需要按照一定顺序给三对三极管通电或断电即可实现三相BLDC的转动。

难道无刷直流电机一定要连八根线吗?没有Hall传感器就不能工作了吗?其实不是的。我们知道定子是一块永磁体，它在转动时，它所产生的磁场也在转动。这种转动的磁场相对于定子线圈是运动的，变化的磁场会在定子线圈中产生感应电动势，被称为反电动势。转子在不同位置转动时，三相线圈产生的反电动势也不尽相同。所以我们只需测出反电动势的某种状态即可得知定子的转动状态。

随着转子转动，每一线圈的感应电势都从最高到零再到反向。因为当线圈通电反向后，反电动势会阻碍电压的反向，所以会出现梯形波部分。这个梯形部分的零点正反部分电压方向相反，所以经过电压比较器后检测电压正负即可判断电机定子的工作状态。由于零点处于梯形中点，所以延迟30°再输出相应时序的控制信号即可控制BLDC的转动。这种控制方式不需要Hall传感器，三根线即可驱动BLDC。其实小编猜想如果这个波形相对理想，直接对电压进行积分即可获得三组线圈电压的曲线。从而实现对电机进行控制。

那么启动时候没有形成这种动态的过程，怎么办呢?其实只需要确定一个启动方向，先对该方向下线圈通电(低压最好)，使转子短时间内转到这个启动位置，这样按照接下来的时序动作进行通电，即可使电机转起来。

无刷直流电机既具有直流电机良好的调速性能等特点，又具有交流电机结构简单、无换向火花、运行可靠和易于维护等优点。在克服无刷直流电机控制成本高的困难之后，相信该电机会很得到更广泛的应用。逐渐取代直流电机。