無刷直流 (BLDC) 電機在汽車（尤其是電動汽車 (EV)）、HVAC、白色家電和工業(yè)等領(lǐng)域越來越受歡迎，因為它摒棄了傳統(tǒng)電機所使用的機械換向器，用能提高裝置可靠性與耐用性的電子器件取而代之。
BLDC 電機的另一個優(yōu)勢是，在保持同等功率輸出的情況下，可以比有刷型做得更小、更輕，特別適合空間受限型應(yīng)用。
劣勢是 BLDC 電機必須要使用電子管理系統(tǒng)才能運行。例如，需要使用微控制器（借助傳感器的輸入來指示轉(zhuǎn)子位置）在正確的時刻激勵定子線圈。精確的定時功能可以實現(xiàn)精確的速度和扭矩控制，還可確保電機以峰值能效運行。
本文闡述了 BLDC 電機的基本運行知識以及控制三相裝置的典型控制電路。此外，本文還介紹了一些專為 BLDC 電機控制而設(shè)計的集成模塊，設(shè)計人員可選用這些模塊來簡化電路設(shè)計。
無刷方式的優(yōu)勢
傳統(tǒng)電機的電刷可將電力輸送到轉(zhuǎn)子繞組，繞組在激勵后會形成固定磁場。固定電刷與旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子上的旋轉(zhuǎn)金屬觸頭之間的摩擦?xí)斐赡p。此外，由于電刷與金屬觸頭接觸不良和電弧放電，也可能導(dǎo)致功率損耗。
由于 BLDC 電機摒棄了電刷，代之以“電子換向器”，因此消除了這種磨損和功率損耗來源，進而提升了電機的可靠性和能效。除此之外，與有刷直流電機和感應(yīng)電機相比，BLDC 電機還擁有其他多種優(yōu)勢，包括更好的速度比扭矩特性、更快的動態(tài)響應(yīng)、無噪聲操作以及更高的速度范圍。1
另外，其輸出扭矩相對于電機尺寸的比率更高，因而非常適合洗衣機和電動汽車等應(yīng)用。這些應(yīng)用需要高功率，但也將緊湊性和輕量性視為關(guān)鍵因素。（然而，應(yīng)該注意的是有刷直流電機有更高的起動扭矩。）
BLDC 電機屬于“同步”型設(shè)備，因為轉(zhuǎn)子與定子產(chǎn)生的磁場可以相同的頻率旋轉(zhuǎn)。這種布置的一個好處是 BLDC 電機不會經(jīng)歷感應(yīng)電機通常會發(fā)生的“打滑”情況。
該電機可分為單相、雙相或三相類型，其中三相是最常用的，也是本文要探討的類型。
BLDC 電機的定子由鋼片組成且采用軸向開槽，可沿著內(nèi)部圓柱面容納偶數(shù)個繞組（圖 1）。雖然 BLDC 電機的定子類似于感應(yīng)電機的定子，但繞組的分布方式有所不同。
圖 1：BLDC 電機定子，顯示了開槽鋼環(huán)以及軸向繞組。（圖片由 Microchip 友情提供。）
轉(zhuǎn)子采用永久磁體制造，具有兩到八個 N-S 磁極對。增加磁體對可提高扭矩，消除所謂的扭矩波動，從而讓電機的功率輸送更加均衡。缺點則是控制系統(tǒng)更加復(fù)雜、成本提高且最高速度降低。
過去，業(yè)界使用鐵氧體磁性材料制造永久磁體，但現(xiàn)代工廠傾向于使用稀土磁性材料。盡管這些磁性材料更加昂貴，但它們可以產(chǎn)生更大的磁通密度，用更小的轉(zhuǎn)子達到給定扭矩。這些高強度磁性材料的使用是 BLDC 電機比同尺寸的有刷直流電機輸出更高功率的一個重要原因。
如需詳細(xì)了解 BLDC 電機的構(gòu)造和運行信息，請參考 Microchip Technology 發(fā)布的相關(guān)應(yīng)用說明 (AN885)。2
基本運行知識
BLDC 電機的電子換向器會依序激勵定子線圈，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電磁場，從而“拖拽”轉(zhuǎn)子隨之旋轉(zhuǎn)。N 次“電子轉(zhuǎn)動”相當(dāng)于一次機械轉(zhuǎn)動，其中 N 表示磁體對數(shù)量。
對于三相電機，定子中會嵌有三個霍爾效應(yīng)傳感器，向控制器指示定子和轉(zhuǎn)子的相對位置，從而確保其在正確的時間按照正確的順序激勵繞組。霍爾傳感器通常安裝在設(shè)備的非驅(qū)動端（圖 2）。
圖 2：霍爾傳感器內(nèi)嵌在 BLDC 電機的定子中，用于確定繞組的激勵順序。（圖片由 Microchip 友情提供。）
當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極經(jīng)過霍爾傳感器時，即會產(chǎn)生一個高強度（對于一個磁極）或低強度（對于相對磁極）信號。具體的換向順序可通過結(jié)合這三個傳感器發(fā)來的信號加以確定，具體如下所述。
所有電機均會由于繞組通過相關(guān)磁場的運動而產(chǎn)生電壓電位。這種電位稱為電動勢 (EMF)，而且，根據(jù)楞次定律，它會在繞組中產(chǎn)生電流，而其磁場會抗拒磁通量的原始變化。簡單地說，這意味著電動勢傾向于抵抗電機的旋轉(zhuǎn)，因此又稱為“反”電動勢。在既定電機磁通量和繞組數(shù)固定的情況下，電動勢與轉(zhuǎn)子的角速度成正比。
不過，反電動勢固然會對電機造成一些“拖累”，但也存在有益之處。通過監(jiān)控反電動勢，微控制器可以在無需使用霍爾效應(yīng)傳感器的情況下，確定定子和轉(zhuǎn)子的相對位置。這可以簡化電機構(gòu)造、降低成本，同時省去因支持傳感器而進行的額外電機連線和連接，進而在有灰塵和濕氣的環(huán)境下提高其可靠性。
然而，固定式電機不會產(chǎn)生反電動勢，因此微控制器無法在啟動時確定電機元器件的位置。解決方法就是在開環(huán)配置方式下啟動電機，直到產(chǎn)生的電動勢足以供微控制器開啟電機監(jiān)控。這些稱作“無傳感器”的 BLDC 電機越來越受歡迎。
控制 BLDC 電機
雖然 BLDC 電機在機械上相對簡單，但它們需要更復(fù)雜的電子控制器件和穩(wěn)壓電源。設(shè)計人員所面臨的挑戰(zhàn)就是：提供能夠通過精確控制來實現(xiàn)高效運行的三相高功率系統(tǒng)。
圖 3 顯示了驅(qū)動采用霍爾效應(yīng)傳感器的 BLDC 電機的典型布局。（有關(guān)使用反電動勢測量值來控制無傳感器 BLDC 電機的內(nèi)容將在以后的文章中介紹。）在該系統(tǒng)中，電機的三個線圈呈“Y”形排列，另外還有一個 Microchip PIC18F2431 微控制器、一個絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 驅(qū)動器以及一個由六個 IGBT 組成的三相逆變器（亦可使用金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 實現(xiàn)高功率開關(guān)功能）。微控制器的輸出（由 IGBT 驅(qū)動器鏡像）含有脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 信號，可確定線圈的平均電壓和平均電流（進而確定電機的速度和扭矩）。電機使用了三個霍爾效應(yīng)傳感器（A、B 和 C）來指示轉(zhuǎn)子位置。轉(zhuǎn)子本身則使用兩對永久磁體產(chǎn)生磁通量。
圖 3：采用 8 位微控制器的 BDLC 電源控制系統(tǒng)。（圖片由 Microchip 友情提供。）
該系統(tǒng)采用六步換向序列實現(xiàn)每次電子轉(zhuǎn)動。由于電機具有兩對磁體，因此需要兩次電子轉(zhuǎn)動才可轉(zhuǎn)動一次電機。
圖 4 顯示了與圖 3 電機相同的線圈布局（此次標(biāo)記為 U、V 和 W）以及每步的電流（共六步），圖 5 顯示了后續(xù)的霍爾效應(yīng)傳感器輸出和線圈電壓。
圖 4：三相 BLDC 電機一次電子轉(zhuǎn)動的線圈激勵順序。（圖片由 Atmel 友情提供。）
圖 5：霍爾效應(yīng)傳感器的狀態(tài)決定了何時及如何激勵線圈。每個線圈皆連接一對霍爾效應(yīng)傳感器。（圖片由 Atmel 友情提供。）
一對霍爾效應(yīng)傳感器決定了微控制器何時激勵線圈。在本例中，傳感器 H1 和 H2 決定線圈 U 的開關(guān)。當(dāng) H2 檢測到 N 磁極時，線圈 U 將正向激勵；當(dāng) H1 檢測到 N 磁極時，線圈 U 將斷開；當(dāng) H2 檢測到 S 磁極時，線圈 U 將反向閉合，最后，當(dāng) H1 檢測到 S 磁極時，線圈 U 再次斷開。同樣地，傳感器 H2 和 H3 決定線圈 V 的激勵，而傳感器 H1 和 H3 決定線圈 W 的激勵。
在每一步中，有兩個相位閉合，一個相位將電流饋送給電機，另一個相位形成電流返回路徑。還有一個相位處于斷開狀態(tài)。微處理器可控制必須閉合三相逆變器中的哪兩個開關(guān)，以正向或反向激勵兩個有源線圈。例如，閉合圖 3 中的 Q1 將正向激勵線圈 A，閉合 Q2 將反向激勵線圈 B 以提供返回路徑。線圈 C 保持打開狀態(tài)。
在設(shè)計全尺寸電機之前，設(shè)計人員可以使用基于 8 位微控制器的開發(fā)套件來測試控制機制。例如，Atmel 為 BLDC 電機控制器生產(chǎn)了一種基于 ATxmega128A1 8 位微控制器的平價入門級套件 ATAVRMC323。4 其他幾家供應(yīng)商也提供類似的套件。
驅(qū)動 BLDC 電機
盡管 8 位微控制器結(jié)合三相逆變器是一個好的開端，但還不足以構(gòu)建一個完整的 BLDC 電機控制系統(tǒng)。要構(gòu)建這一系統(tǒng)，必須使用穩(wěn)壓電源來驅(qū)動 IGBT 或 MOSFET（圖 3 所示的“IGBT 驅(qū)動器”）。幸運的是，幾家主流半導(dǎo)體供應(yīng)商均為此設(shè)計了集成驅(qū)動器芯片，能夠輕松實現(xiàn)構(gòu)建。
這些器件通常由降壓轉(zhuǎn)換器（旨在給微處理器供電以及滿足其他系統(tǒng)功率要求）、柵極驅(qū)動器控制及故障處理裝置以及一些定時和控制邏輯組成。Texas Instruments 的 DRV8301 三相前級驅(qū)動器就是一個很好的例子（圖 6）。
圖 6：Texas Instruments 的 DRV8301 電機驅(qū)動器在一個封裝中集成了降壓穩(wěn)壓器、柵極驅(qū)動器和控制邏輯。
該前級驅(qū)動器支持高達 2.3 A 的灌入峰值電流和 1.7 A 的拉出峰值電流，并且僅需要一個輸入電壓為 8 V 到 60 V 的電源。當(dāng)高壓側(cè)或低壓側(cè) IGBT 或 MOSFET 發(fā)生切換以防止電流貫通時，該器件將使用自動握手模式。
ON Semiconductor 提供類似芯片 LB11696V。對于這款芯片，可通過在輸出電路中加裝分立晶體管來實現(xiàn)具有所需輸出功率（電壓和電流）的電機驅(qū)動器電路。此外，該芯片還提供了全套保護電路，因此適用于需要高可靠性的應(yīng)用。此款器件專為大型 BLDC 電機而設(shè)計，例如空調(diào)和即熱型熱水器的電機。
總結(jié)
與傳統(tǒng)電機相比，BLDC 電機具有多種優(yōu)勢。由于無需在電機中使用電刷，因此不會發(fā)生因使用機械零件而導(dǎo)致的效率下降、磨損老化或災(zāi)難性故障。此外，高強度稀土磁性材料的開發(fā)能夠讓生產(chǎn)的 BLDC 電機輸出與有刷電機相同的功率，但占用的空間更小。
一個明顯缺點就是，BLDC 電機與有刷類型不同，需要使用電子系統(tǒng)來監(jiān)控線圈的激勵順序以及提供其他控制功能。若沒有電子系統(tǒng)，電機將無法運行。
然而，隨著便宜耐用、專為電機控制而設(shè)計的電子器件的普及，電路設(shè)計也變得相對簡單和便宜。事實上，BLDC 電機可以借助普通的三相正弦波或方波生成器以基本配置運行，甚至無需使用微控制器。例如，F(xiàn)airchild Semiconductor 就為這種應(yīng)用開發(fā)了 FCM8201 芯片，并發(fā)布了相關(guān)的應(yīng)用說明。5
類似地，ON Semiconductor 的 MC33033 BLDC 電機控制器也在芯片上集成了轉(zhuǎn)子位置解碼器，因此無需使用微控制器即可構(gòu)建完整的系統(tǒng)。該器件可用于控制三相或四相 BLDC 電機。
然而，采用 8 位微控制器（通過出廠提供的代碼或開發(fā)人員自己的軟件進行編程）給控制系統(tǒng)增加的成本非常小，但卻能為用戶提供非常出色的電機控制功能。它不僅能提供更精確的位置、速度或扭矩輸出，還能確保電機以最佳能效運行。
參考資料：
“Brushless DC Motor Primer,” Muhammad Mubeen, July 2008.
“Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals,” Padmaraja Yedamale, Microchip Technology application note AN885, 2003.
“Using the PIC18F2431 for Sensorless BLDC Motor Control,” Padmaraja Yedamale, Microchip Technology application note AN970, 2005.
“AVR1607: Brushless DC Motor (BLDC) Control in Sensor mode using ATxmega128A1 and ATAVRMC323,” Atmel application note, 2010.
“FCM8201 Three-Phase Sine-Wave BLDC Motor Controller,” Fairchild Semiconductor application note AN-8201, 2011.
