今天，小編將為大家從基礎(chǔ)開始描述無(wú)刷電機(jī)，寫完那些對(duì)于無(wú)刷電機(jī)還不太了解的朋友可以在看完這篇文章后對(duì)它有一個(gè)系統(tǒng)全面的了解~

0.電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的原理

先說(shuō)電動(dòng)機(jī)的基本原理，大家小時(shí)候都玩過(guò)磁鐵吧，異極相吸，兩磁鐵一靠近“啪”就撞上了。

現(xiàn)在假設(shè)你的手速足夠快，拿著一塊磁鐵在前面瘋狂勾引，那么另外一塊磁鐵就一直跟著你。

你的手拿著磁鐵畫圈圈，另外一塊磁鐵也跟著你轉(zhuǎn)圈圈。

以上，就是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的基本原理了。只不過(guò)是在前面用來(lái)勾引的“磁鐵”不是真的磁鐵，而是由線圈通電后生成的磁場(chǎng)。

1. 無(wú)刷直流電機(jī)簡(jiǎn)介

無(wú)刷直流電機(jī)，英語(yǔ)縮寫為BLDC（Brushless Direct Current Motor）。電機(jī)的定子（不動(dòng)的部分）是線圈，或者叫繞組。轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)動(dòng)的部分）是永磁體，就是磁鐵 。根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置，利用單片機(jī)來(lái)控制每個(gè)線圈的通電，使線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化，從而不斷在前面勾引轉(zhuǎn)子讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，這就是無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理。下面深入一下。

2. 無(wú)刷直流電機(jī)的基本工作原理

2.1. 無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)

首先先從最基本的線圈說(shuō)起。可以將線圈理解成長(zhǎng)得像彈簧一樣的東西。根據(jù)初中學(xué)過(guò)的右手螺旋法則可知，當(dāng)電流從該線圈的上到下流過(guò)的時(shí)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(guò)的話，就能像有兩個(gè)電磁鐵一樣。

再弄一根，就可以構(gòu)成電機(jī)的三相繞組。

再加上永磁體做成的轉(zhuǎn)子，就是一個(gè)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)了。

2.2. 無(wú)刷直流電機(jī)的電流換向電路

無(wú)刷直流電機(jī)之所以既只用直流電，又不用電刷，是因?yàn)橥獠坑袀€(gè)電路來(lái)專門控制它各線圈的通電。這個(gè)電流換向電路最主要的部件是FET（場(chǎng)效應(yīng)晶體管，Field-Effect Transitor）?？梢园?/span>FET看作是開關(guān)。FET的“開合”是由單片機(jī)控制的。

2.3. 無(wú)刷直流電機(jī)的電流換向過(guò)程

FET的“開合”時(shí)機(jī)是由單片機(jī)控制的。最常用的電流換向方法是 Six-step Commutation，翻譯過(guò)來(lái)是“六步換向”?，F(xiàn)在建個(gè)坐標(biāo)系。六步換向的過(guò)程如下表。

2.4. 無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子是怎么轉(zhuǎn)動(dòng)的呢？

靠的就是用六步換向生成一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，在轉(zhuǎn)子的前方不斷勾引，如果你看合成的磁場(chǎng)方向和轉(zhuǎn)子所在的位置的話，就一目了然了。合成的磁場(chǎng)的S極一直在轉(zhuǎn)子N極的前面等著。只要把握好線圈通電的時(shí)機(jī)，讓合成磁場(chǎng)的方向一直提前于轉(zhuǎn)子的位置，轉(zhuǎn)子就會(huì)一直屁顛屁顛地跟著。

3. 怎樣確定換向時(shí)機(jī)？

上面說(shuō)過(guò)，控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)鍵是，等轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到合適的角度時(shí)，對(duì)通過(guò)線圈的電流進(jìn)行換向，從而使生成的磁場(chǎng)方向發(fā)生變化，吸引轉(zhuǎn)子，令轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。

那這個(gè)電流換向的時(shí)機(jī)應(yīng)該怎么把握呢？也就是說(shuō)，我要怎么樣知道現(xiàn)在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到什么位置？知道轉(zhuǎn)子在哪我才知道要通哪兩相的電啊。

3.1. 電氣角度和機(jī)械角度關(guān)系

機(jī)械角度就是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)過(guò)的角度。

電氣角度和機(jī)械角度的關(guān)系與轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)有關(guān)。

因?yàn)閷?shí)際上線圈生成的磁場(chǎng)要吸引的是轉(zhuǎn)子的磁極。所以對(duì)于電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)控制來(lái)說(shuō)，我們只關(guān)心電氣角度就好。

電氣角度 = 極對(duì)數(shù) x 機(jī)械角度

4. 無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向

4.1. 怎樣控制無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向？

改變電流換向的次序即可。讓線圈合成的磁場(chǎng)方向反方向旋轉(zhuǎn)起來(lái)。

4.2. 怎樣控制無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速？

線圈兩端的電壓越大，通過(guò)線圈的電流越大，生成磁場(chǎng)越強(qiáng)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)得就越快。

因?yàn)榻拥碾娫词侵绷鞯?，所以我們通常?/span>PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制）來(lái)控制線圈兩端電壓的大小。PWM的簡(jiǎn)單原理如下。

所以給無(wú)刷直流電機(jī)通電的時(shí)候，用單片機(jī)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(shí)間長(zhǎng)（Duty大），線圈兩端的等效電壓就大，產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度就強(qiáng)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)就快；通電時(shí)間短（Duty小），線圈兩端的等效電壓就小，產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度就弱，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)，FET閉合導(dǎo)通；Gate上的電壓為低時(shí)，FET斷開不通電。

而且同一相上的上下兩個(gè)FET須由反相的PWM波形控制，以防止上下兩個(gè)FET同時(shí)導(dǎo)通，造成電流不通過(guò)電機(jī)而上下相同，造成短路?？刂?/span>FET的PWM波形如下。

綜上，無(wú)刷直流電機(jī)的關(guān)鍵有三點(diǎn)：

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(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向，從而決定了轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

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

使用單片機(jī)產(chǎn)生的PWM波形來(lái)控制電機(jī)繞組的通電時(shí)間，來(lái)控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。