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。