最全無刷電機（BLDC）驅動控制必學經典資料

原創： 發燒友學院小包

什么是無刷電機（也稱為BLDC）？

在您了解的無刷電機之前，我覺得很有必要先了解下，什么叫做電機。

根據百度百科詞條的解析，“電機（俗稱：馬達）是指依據電磁感應定律實現電能轉換或傳遞的一種電磁裝置。在電路中用字母M表示，主要作用是用來產生驅動轉矩，作為用電器或各種機械的動力源。”電機因為具有很高的效率、以及良好的操作性，目前廣泛應用于汽車、工業設備、醫療器械、家用電器（如空調冰箱）、電動自行摩托車等各種現實應用場景。可以說電機的使用在我們生活中無處不在。按照電機電源的種類、轉動原理，我們可以把電機分為以下兩大類：

DC電機和AC電機

DC電機（直流電機）按照結構及工作原理，可以分為有刷DC電機和無刷DC電機。根據電機內部感應電動勢波形，電機又可以分為無刷直流電機（BLDC）和永磁同步電機（PMSM）。

有刷電機是傳統產品，在性能上比較穩定，缺點是換向器和電刷接觸，使用壽命很短需要定期維護及更新。相比之下，無刷DC電機由電機主體和驅動器組成，以自控式方式運行，無論是電機使用壽命、還是性能效率方面，都比有刷電機要好。

從電流驅動角度來看，無刷直流電機可分為正弦波驅動和方波驅動。通常，以方波驅動的電機稱為無刷直流電機（BLDC），正弦波驅動的電機則為永磁同步電機（PMSM）。無刷直流電機，跟永磁同步電機，基本結構相似，主要區別在于控制器電流的驅動方式不同。

無刷直流電機（BLDC）是如何運行的？

BLDC電機中的“BL”意為“無刷”，就是DC電機（有刷電機）中的“電刷”沒有了。電刷在DC電機（有刷電機）里扮演的角色是通過換向器向轉子里的線圈通電。那么沒有電刷的BLDC電機是如何向轉子里的線圈通電的呢？原來BLDC電動機電機采用永磁體來做轉子，轉子里是沒有線圈的。由于轉子里沒有線圈，所以不需要用于通電的換向器和電刷。取而代之的是作為定子的線圈。

上面是BLDC電機的運轉示意圖。BLDC電機的運轉示意圖。BLDC電機將永磁體作為轉子。由于無需向轉子通電，因此不需要電刷和換向器。從外部對通向線圈的電進行控制。

DC電機（有刷電機）中被固定的永磁體所制造出的磁場是不會動的，通過控制線圈（轉子）在其內部產生的磁場來旋轉。要通過改變電壓來改變旋轉數。BLDC電機的轉子是永磁體，通過改變周圍的線圈所產生的磁場的方向使轉子旋轉。通過控制通向線圈的電流方向和大小來控制轉子的旋轉。

為什么要學習無刷直流（BLDC）控制？

直流電機都可以設計成有刷、或者是無刷電機，但無刷直流電機（BLDC）通常是大多數應用的首選。不像同步電機那樣，無刷電機不需要另外加載啟動繞組，同時也不會出現負載突變時產生振蕩和失步。BLDC使用電子換向器替代碳刷，更可靠、更安靜，運行效率更高，使用功耗也會隨之減少，產品壽命也會更長，從長期使用性價比來講，選擇無刷直流（BLDC）使用都是不二的選擇。

除此之外，無刷直流電機還有以下諸多好處：

1. 外特性好，能夠在低速下輸出大轉矩，使得它可以提供大的起動轉矩；

2. 速度范圍寬，任何速度下都可以全功率運行；

3. 效率高、過載能力強，使得它在拖動系統中有出色的表現；

4. 再生制動效果好，由于它的轉子是永磁材料，制動時電機可以進入發電機狀態；

5. 體積小，功率密度高；

6. 無機械換向器，采用全封閉式結構，可以防止塵土進入電機內部，可靠性高；

7. 相比異步電機的驅動控制簡單。

無刷直流（BLDC）是如何控制的？

無刷直流電機的驅動方式，按照不同類別可分為多種驅動方式，主要有以下幾種：

1. 按驅動波形：方波驅動，這種驅動方式實現方便，易于實現電機無位置傳感器控制；

2. 正弦驅動：這種驅動方式可以改善電機運行效果，使輸出力矩均勻，但實現過程相對復雜。同時，這種方法又有 SPWM 和 SVPWM（空間矢量 PWM）兩種方式，SVPWM的效果好于 SPWM。

常見的BLDC無刷直流電機，由于采用非正弦分布的定子繞組，反電動勢為梯形，產生電流也是梯形，所有會出現矩形脈動，進而會導致低速振蕩，從而產生音頻噪音。采用正弦波的BLDC控制方式（即為：永磁同步電機）使用正弦電流驅動，減少轉矩脈動，特別適合低轉矩或者安靜環境下的使用場合。所以BLDC也可以通過PMSM正弦矢量控制方式運行。

目前，我們所看到的BLDC，大多數控制方式比較統一，主要以6個MOSFET搭配成全橋電路，并以控制電路、驅動電路組合。硬件方面概況起來，主要包含以下幾個版塊：全橋驅動電路、霍爾反饋電路、電流采樣電路等。軟件實現上，可以使用方波、或者正弦波（PMSM）方式控制。

如何學習無刷直流電機（BLDC）?

學習電機馬達驅動是一個很大的范疇。在學習前，你必須熟悉一定的模數、數模混合電路基礎，學會基本電機原理知識、基礎算法，控制器的軟件實現，在學習電機控制調節（電調）部分，重點核心是學習電流環、速度環流程設計，涉及到具體PID調節器使用，還需要掌握PID算法。設計電機調速，經常會學到就是傳感器算法控制，目前用得比較多的是無傳感器設計。上述這些都要懂，電機控制是嵌入式比較難的一個行業， 如果能夠深入透徹理解電機，掌握好還是會非常吃香的。

由于篇幅有限的關系，下面再列舉部分學習電機需要掌握的知識、技能點，供大家參考學習：

1. 無刷直流馬達（BLDC）工作原理

這個我就不細說了，畢竟每門技能入門，最不能缺少的就是理論基礎概念的理解了。

2. 學習有霍爾位置傳感器 和無霍爾位置傳感器的BLDC區別

①目前有位置傳感器用的比較多，由于它能夠準確采樣轉子的旋轉位置，所以更能穩定可靠運行，控制方式相對來說也簡單些。因此，在很多項目中得到大量使用。應用領域：特別適合大負載和靜止啟動的情況。比如，電動車、電動自行車、電動汽車、高鐵等中均得到大量而廣泛的應用。當然，畢竟馬達上多個sensor ，在馬達制作工藝方面增加了復雜度，增加了成本。同時，霍爾也存在一定幾率的老化不良等問題，對電機的整個壽命產生一定的影響。

②由于有位置馬達存在上述的弊端，無位置由于沒有sensor工藝簡單，同時更加安全可靠，所以在很多場合也得到比較多的應用。在一些復雜惡劣的環境、輕負載的情況下應用，比如風機，空調壓縮機，汽車的冷卻風扇等。但是，由于位置是根據馬達的反電動勢計算得來的，因此具有不可靠性。而且在馬達靜止情況下，由于不存在反電動勢，因此轉子的位置更加難以確定。所以，不適合馬達在靜止條件下使用。

③綜上所訴，有位置的馬達的驅動器比較簡單，馬達相對復雜，可靜止啟動。無位置控制的馬達優點是馬達簡單控制器復雜，適合輕負載，非零轉速啟動或者在馬達又一定轉速下啟動。

最后，就是在此基礎上，學會霍爾位置傳感器部分設計。

3. 電機（馬達）控制基礎部分

①電機的轉子、定子采樣設計部分：如何整合、外轉子和內轉子工作原理、特性，如何實現設計；

②方波和正弦波的理解。根據實際或項目應用來選擇，目前方波馬達技術較為成熟，正弦波控制方式比較復雜，但未來空間更大，主要應用在高性能電機。

③電壓、轉速及扭矩、功率之間關系。學會各種電機參數概念、計算公式及相互之間的關系。如電壓與轉速的關系、及馬達的電流與轉速，效率之間的關系，和如何調速等等。

4. BLDC如何實現電壓調速

以三相bldc方波有位置傳感器馬達為實例，我們以全硬件的方式來搭建驅動器電路。你需要掌握以下這些要點：

①三相橋電路的設計：mosfet的選型和設計；mosfet充放電電路的設計；

②半橋驅動電路的選型和講解；

③自舉充電電路的講解：如何實現自舉電容充電？

④半橋驅動前級，復雜邏輯電路如何實現？分以下幾個方面：

? 如何用全硬件的方式實現馬達正轉？

? 如何實現馬達的停止？

? 如何實現自取電容的充電？

? 如何根據霍爾的邏輯信號來實現馬達的換向？

? 如何實現馬達的調速？

5. 電機調試部分。熟悉霍爾電路、 數字電路、半橋電路、充電電路、橋式電路、馬達整機等具體調試方法、步驟。