电机是我们生活中经常见到的熟悉的机械中的一种。但是，电机这个词本身指的是电动机、发动机和原动机等“动力设备”，不是单指电动机。生活中，我们所谓的电机绝大部分指的就是电动机，而我们常用的电动机主要分为直流有刷电机和直流无刷电机。

       直流电机以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用，但普通的直流电机由于需要机械换相和电刷，可靠性差，需要经常维护；换相时产生电磁干扰，噪声大，影响了直流电机在控制系统中的进一步应用。为了克服机械换相带来的缺点，以电子换相取代机械换相的无刷电机应运而生。1955 年美国 D．Harrison 等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利，标志着现代无刷电机的诞生。而电子换相的直流无刷电机真正进入实用阶段，是在 1978 年的 MAC 经典直流无刷电机及其驱动器的推出。之后，国际上对直流无刷电机进行了深入的研究，先后研制成方波无刷电机和正弦波直流无刷电机。

       20 多年以来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展，无刷电机得到了长足的发展。直流无刷电机已经不是专指具有电子换相的直流电机，而是泛指具有有刷直流电机外部特性的电子换相电机 。直流无刷电机不仅保持了传统直流电机良好的动、静态调速特性，且结构简单、运行可靠、易于控制。其应用从最初的军事工业，向航空航天、医疗、信息、家电以及工业自动化领域迅速发展。

       经由几十年的高速开展，直流无刷电机在技术上已逐渐成熟，使用范畴简直可涵盖一切电机驱动用处，在很多使用中已显示其优秀特征，并可起到其它类电机不克不及到达的功用，国际上有些专家预言：二十一世纪将是直流无刷电机的世界，将为一切新一代的整机产物设计师所采用。

1.直流无刷电机的结构

       直流无刷电机是一种自控变频的永磁同步电机，就其基本组成结构而言。可以认为是由电机本体、转子位置传感器和电子开关电路三部分组成的“电机系统”。

       电机本体在结构上是一台普通的凸极式同步电机。它包括主定子和主转子两部分，主定子上放置空间互差 120° 的三相对称电枢绕组接成星形或三角形，主转子是用永久磁钢制成的一对磁极。转子位置传感器也由定子、转子两部分组成。定子安装在主电机壳内，转子和主转子同轴旋转。它的作用是把主转子的位置检测出来变成电信号去控制电子开关电路，故也称转子位置检测器。电子开关电路中的功率开关元件分别与主定子上各相绕组相连接通过位置传感器输出的信号，控制三极管的导通和截止从而使主定子上各相绕组中的电流也随着转子位置的改变，按一定的顺序进行切换，实现无接触式的换向。

 

2.直流无刷电机的控制

2.1直流无刷电机的运转
       以电机工作在全桥驱动方式下为例子：

       其中 Q1 - Q6 为六个功率开关管，他们组成三项桥式逆变器，采用霍尔位置传感器来检测电机转子的位置信号，控制器根据电机的位置信息按一定的顺序组合六个功率开关管的导通，这样电机的绕组也按顺序导通，实现电机的运转。

       这里采用两两通电，三项六状态方式，也就是每一个状态上下桥臂各有一个导通，每隔 1/6 个周期（ 60° 电角度）换相一次，每次换相一个功率管，每个功率管一次导通 120° 电角度，各功率管导通顺序依次是 Q1Q4 - Q1Q6 - Q3Q6 - Q3Q2 - Q5Q2 - Q5Q4，如表格所示：

2.2直流无刷电机的控制方式

2.2.1方波控制（又称为梯形波控制、120° 控制、6步换向控制）：

       方波控制使用霍尔传感器或者无感估算算法获得电机转子的位置，然后根据转子的位置在 360° 的电气周期内，进行 6 次换向（每 60° 换向一次），如果输出电压不变上图就是最基本的方波控制。每个换向位置电机输出特定方向的力，因此可以说方波控制的位置精度是电气 60°。由于在这种方式控制下，电机的相电流波形接近方波，所以称为方波控制。

       方波控制方式的优点：

       控制算法简单、硬件成本较低，使用性能普通的控制器便能获得较高的电机转速；

       方波控制方式的缺点：

       转矩波动大、存在一定的电流噪声、效率达不到最大值。方波控制适用于对电机转动性能要求不高的场合。

2.2.2简易正弦波控制：

       简易弦波控制方式使用的是对电机绕组施加一定的电压，使电机相电压为正弦波，由于电机绕组为感性负载，因此电机相电流也为正弦波。通过控制电机相电压的幅值以及相位来控制电流的相位以及幅值，为电压环控制，实现较为简单。常见的生成方式为：正弦      PWM 以及空间矢量 PWM。

2.2.3复杂正弦波控制：

       与简易正弦波控制不同，复杂的正弦控制目标为电机相电流，建立电流环，通过直接控制相电流的相位与幅值达到控制电机的目的。由于电机相电流为正弦信号，因此需要进行电流的解耦操作，较为复杂，常见的为直接转矩控制（DTC）及磁场定向控制（FOC）等。近些年来，FOC 控制 因其技术的成熟及出色的控制表现热度逐步上升。

方波控制 与 弦波控制 对比：

3.直流无刷电机的使用场景

① 家用电器类产物范畴。新一代电冰箱、空调器、吸尘器、洗衣机、电风扇、热水器等，运用直流无刷电机可完成多功用主动操作：准时、定温、主动调理，按软件顺序任务。提拔了家电产物主动化水平，效率进步 20%。

② 办公主动化范畴。计算机软、硬驱动器、光盘、驱动器、激光打印机、复印机、传真机鼓驱动等计算机外部设备及音像处置设备这类设备要求驱动器电机具有稳速、调速、定位等功用，对低电磁搅扰和低噪声要求特殊高。这类直流无刷电机属于精细型、尺寸小、加工精度高、产量大，是技能密集型和高投资类产物，当前仍主要由欧美、日本等兴旺国度供应。

③ 医疗仪器和器械范畴。血液剖析仪、离心计、牙科器械、医护监控设备等设备常需求小尺寸、高牢靠、长寿命、低噪音、免维护的微型高速电机。

④ 工业主动化设备范畴。当前，在数控缝纫机、彩扩扩大机、高速食物搅拌机等普通的轻工机械中一些要求精细节制速度和地位的设备大多采用无刷电机。别的，在数控机床、组合机床、主动纺织、印刷、包装、冶金、邮政机械，主动化出产流水线等各类专用设备跟着市场竞争的加剧，采用高新技能配备成为急迫要求。采用直流无刷电机可知足这些机械设备的高效率、高精度、高功能的节制要求。

⑤ 电动车范畴。我国是自行车大国，自行车拥有量约 4 亿辆。按年鉴发布数，1998年全国自行车、摩托车产量为 3940 万辆，若以 7% 的年增进率核算 2000 年产量可达4500 万辆。依照国度绿色环保政策和动力应用可继续开展计谋方针，电动车将成为城镇居民的消费热点，超越国外增进程度，成为我国新的经济增进点。若按 10% 的产量思索，电动助力车的年产量为 450 万辆。

永不停歇，宙斯 带您由浅入深了解电机控制那些事，我们下篇博文见~

参考资料：

1.《无刷直流电机结构》

2.《无刷直流电机正弦波控制系统研究及实现》