如何控制无刷电机

（本文编译自Electronic Design）

无刷直流电机也被简称为无刷电机或BLDC电机，它凭借高可靠性与高性能的运动控制表现得到广泛应用。这类电机摒弃了易产生颗粒且存在磨损问题的机械电刷，转而采用电子换向方式。无刷直流电机的优势体现在高扭矩输出、高转速以及无电刷运行的特性上，但其主要缺点是，相比有刷直流电机或步进电机，成本更高。

无刷直流电机主要分为两大类：旋转式无刷直流电机和直线式无刷直流电机。其中旋转式无刷直流电机的细分类型更多，可根据转子结构分为内转子式和外转子式，也可按磁通形式分为轴向磁通型和径向磁通型；内转子式无刷直流电机又可进一步分为内置永磁体式（IPM）和表面贴磁式。此外，依据铁芯结构的不同，无刷直流电机还可分为有槽式和无槽式。

上述多数结构变体对电机的控制方法影响较小，但会对扭矩重量比、运行平稳性、最大加速度和最高转速等关键性能指标产生显著影响。

在各类定位电机中，三相无刷电机的定位如何？图1通过两幅曲线图，对比了不同类型电机在功率重量比和扭矩重量比两项核心性能指标上的表现。针对特定应用场景，这两项指标通常有一项更为关键，而二者实际存在关联，因为功率的定义为扭矩与转速的乘积。

图1：对比了有刷直流电机、步进电机和无刷直流电机的扭矩重量比与功率重量比。

无刷直流电机的磁路特性至关重要

弄清电机内部的工作原理以及无刷电机的扭矩产生机制，是理解各类无刷直流电机控制技术工作原理的基础。图2为沿电机旋转轴俯视所得，并投影至XY平面的无刷电机转子与定子磁场分布。

图2：三相无刷直流电机的转子与定子磁矢量。

扭矩由转子永磁体和定子绕组产生的磁场相互作用生成。每个定子绕组（图2中记为A、B、C绕组）都会产生各自的磁矢量，各矢量之间的夹角为120°，这些独立矢量被称为绕组电流空间矢量。

由于所有定子绕组共用一个铁芯，定子磁场的合方向可视为由三个独立绕组矢量叠加而成的单个矢量，该叠加后的矢量被称为定子电流空间矢量。

在图2中，中间的绿色磁体为转子，可将其视作一个简单的条形磁体，拥有南极和北极。根据定子各绕组的驱动方式不同，绕组产生的作用力既可以与转子磁场方向垂直，也可以与转子磁场方向平行，这两种不同的作用力分别被称为交轴（Q）力和直轴（D）力。

定子三相绕组产生的磁场如何合成为单个定子电流空间矢量？答案是，定子合矢量的方向和幅值等于各绕组电流空间矢量的矢量和（见图3）。Ia、Ib、Ic分别为A绕组通电流Ia、B绕组通电流Ib、C绕组通电流Ic时产生的磁场。

图3：A、B、C三相绕组矢量叠加形成定子电流空间矢量。

这三个互成120°夹角的磁矢量，因各绕组通流不同，幅值也各不相同。在上述示例中，A绕组通流3.4安，B绕组通流1.0安，C 绕组通流4.4安。这些矢量绘制于XY平面，将各矢量首尾相连即可得到合矢量，即图3中可见的绿色定子合磁矢量。

当转子磁场与定子磁场的夹角呈90°（垂直）时，交轴力（产生旋转的力）达到最大值，直轴力（不产生旋转的力）为零；反之，当转子磁场与定子合磁场平行时，交轴力为零，直轴力达到最大值。只有垂直方向的交轴力能产生有效的旋转扭矩，平行方向的直轴力仅会对转子产生挤压作用，无法生成旋转扭矩。

为输出最大扭矩，控制器会调节定子矢量的角度，使其始终与转子磁矢量保持垂直，这一过程被称为换相。控制器通过接收电机的转子位置传感器信号实现该操作，从而在转子旋转过程中实时调整定子磁场角度。

无刷直流电机中电机极数的重要性

电机极数是无刷直流电机结构设计中的关键要素。无刷电机的绕组设计可实现：电机机械旋转360°对应定子电角度旋转360°，或对应电角度旋转两个360°，亦或对应电角度旋转多个360°。需注意，此处的电角度旋转360°，指的是定子磁场角度完成360°旋转。

定子电角度旋转360°对应电机机械旋转360°的电机为两极电机（磁场经过一个北极和一个南极），两极电机也可称为一对极电机；定子电角度旋转两个360°对应电机机械旋转360°的电机为四极电机。无刷直流电机的极数可为2、4、6、12或其他偶数，极对数均为极数的一半。

无刷直流电机不同极数各有何优劣？总体而言，极数越多，无刷直流电机的扭矩输出越高，但最高转速越低。电机的扭矩和转速还受诸多设计因素影响，在其他条件相同的情况下，极数差异带来的主要功能影响即为此。

旋转式与直线式无刷直流电机的区别

旋转式电机的所有原理同样适用于直线式无刷电机。

直线式无刷直流电机的结构是怎样的？图4展示了直线式电机与旋转式电机的对比。直线式无刷直流电机本质上是被展开的旋转式无刷直流电机，二者均配备定子——容纳线圈的部件，也均配备转子——搭载永磁体的部件。

图4：旋转式电机与直线式无刷直流电机的结构布局对比。

需注意，“转子”这一术语用于直线电机易造成混淆，因其并无旋转动作。尽管如此，我们仍沿用该术语，原因是目前尚无其他被广泛认可的标准术语来指代直线电机的这一部件。

从定子角度调节来看，直线电机的控制方式与旋转式无刷电机相近。直线电机同样通过换相方式驱动定子绕组，调节矢量角度，以实现有效交轴力的最大化和无效直轴力的最小化。

直线式无刷直流电机的定子与转子可采用两种不同的配置形式：一种是定子（带线圈的部件）固定、转子（带磁体的部件）移动；另一种则为定子移动、转子固定的反向配置（见图5、图6）。

图5：直线式无刷直流电机采用定子固定、动子沿导轨运动的结构形式。

图6：直线式无刷直流电机采用定子移动、磁轨固定的结构形式。

直线式无刷直流电机的“轨道式”布局衍生出一种杆式结构方案：该杆体嵌有南北极交替排列的磁体，因此充当转子部件。此类结构同样有两种配置方式，既可采用转子（杆体）移动、定子固定的形式，更常见的则是转子固定、定子沿杆体移动的形式（见图7）。

图7：杆式直线无刷直流电机采用磁极交替排布的结构。

无论采用何种布局形式，直线无刷电机都是对可靠性和响应速度有高要求应用场景中的常用选择。尽管其成本远高于通过滚珠丝杠、小齿轮等机构将旋转运动转化为直线运动的执行器，却能实现更高的定位精度，这是因为将旋转转变直线的传动机构不可避免地会产生齿隙和柔性形变，从而降低最终的定位精度。

推动直线无刷直流电机普及的一个重要因素，是高分辨率编码器的性价比不断提升。正余弦编码器、BiSS-C串行编码器数据接口等新型编码器已实现商用，与先进的信号处理电路配合后，直线运动平台和XY运动平台可实现纳米级甚至皮米级的超高定位分辨率。

无刷直流电机控制器的核心组成

无刷直流电机属于“多相”器件，即需为电机定子中的多个线圈通电，才能驱动电机旋转。图8展示了三相无刷电机控制器的控制架构。

图8：无刷直流电机系统的轨迹生成、换相、电流控制及功率放大环节。

多数无刷直流电机控制器均包含数个核心组成模块。其一为运动轮廓生成模块，该模块的运动轮廓既可由控制器内部生成，也可通过网络连接从外部导入。运动轮廓的选择需结合具体应用场景，却是控制器整体运行的重要环节，合理的运动轮廓可实现系统吞吐量最大化，同时降低被控机构的振动幅度。

在位置控制应用中，位置控制环会生成电流指令，以最小化电机期望（指令）位置与实际（检测）位置的偏差。部分应用场景仅需速度控制而非位置控制，此类情况下控制器会采用速度伺服环替代位置控制环。

无论采用何种控制环，其输出均为期望电流指令，该指令可对应电机需输出的期望扭矩大小。

随后对该电流指令执行换相操作，即将总期望电流分配为三路独立指令，分别对应电机的三相绕组。换相方案的种类繁多，具体选择取决于所使用的位置传感器，以及对电机效率和运行平稳性的设计要求。接下来，电流控制环会检测各相绕组的实际通流，并对施加的电压进行调节，使实际电流与指令电流高度匹配。

最后由功率放大器将电压指令施加至各相绕组。目前，绝大多数功率放大器均采用基于脉宽调制（PWM）的开关桥设计，这类设计兼具高效率与易控性的优势；但在对电磁干扰（EMI）有超低要求的电子系统中，仍会选用线性放大器。

无刷直流电机控制器的架构存在诸多衍生变体。例如，部分控制器未对电机绕组采用有源电流控制；在非定位类应用中，部分控制器则完全省去了位置传感器，该技术被称为无传感器控制。

结语

综上，无刷直流电机的控制核心建立在对其磁路交互、矢量合成与换相原理的深度理解之上，从旋转式到直线式的结构演变，也始终围绕最大化交轴有效扭矩、优化电机性能这一核心逻辑。无论是旋转式电机的高速高扭矩应用，还是直线式电机的超高定位精度需求，唯有将电机本体特性与控制技术精准匹配，才能充分发挥无刷直流电机的技术优势。