BLDC 被广泛用于日常生活用具、汽车工业、航空、消费电子、医学电子、工业自动化等装置和仪表。顾名思义，BLDC 不借助机械结构的换向电刷，而是直接运用电子换向器。在实际使用中，BLDC 与有刷电机相比存在诸多优点，例如：它能够获得更为优良的扭矩转速特性；具备高速动态响应能力；具有高效率；寿命较长；噪声较低；转速较高。另外，BLDC 具有更优的扭矩，并且其外形尺寸比也更具优势，这使得它更适合应用于对电机自身重量和大小较为敏感的场合。BLDC 属于同步电机的一种，这意味着定子产生的磁场与转子产生的磁场存在特定关系。

磁场的频率是相同的，因此 BLDC 不会出现普通感应电机的频差现象。BLDC 中存在单相、2 相和 3 相电机的差别，相类型的差异决定了其定子线圈绕组的数量。在此，我们重点讨论应用最为广泛的 3 相 BLDC。定子 BLDC 定子由许多硅钢片经叠压和轴向冲压形成。每个冲槽内有一定的线圈，这些线圈组成了绕组，可参见图 2。从传统意义来看，BLDC 的定子与感应电机的定子有相似之处，但在定子绕组的分布上存在一定差别。大多数 BLDC 的定子存在 3 个呈星型排列的绕组。每个绕组由许多内部结合的钢片按照特定方式组成。偶数个绕组分布在定子周围，从而组成了偶数个磁极。BLDC 的定子绕组可分为梯形绕组和正弦绕组这两种，它们有着根本的区别。

它们的区别在于绕组的连接方式不同，从而导致产生的反电动势不同。反电动势的相关介绍可参见 EMF 一节。梯形绕组产生的反电动势呈现梯形波形，正弦绕组产生的反电动势呈现正弦波形，所以用此来命名。梯形绕组产生的反电动势的波形图如图 2.1.2 所示，正弦绕组产生的反电动势的波形图如图 2.1.3 所示。另外一点关于反电动势的说明是，绕组不同时其相电流呈现梯形和正弦波形。可以想象，正弦绕组因为波形平滑，所以运行起来相对梯形绕组更平稳。然而，正弦型绕组由于有更多绕组，在铜线使用上就相对梯形绕组要多。平时由于应用电压不同，我们能够根据需要选择不同电压范围的无刷电机。48V 以及低于 48V 的应用电压的电机能够应用于汽车、机器人、小型机械臂等领域。100V 以及高于 100V 的电压范围的电机可以被用于专用方面。

2.3 霍尔传感器与有刷直流电机有所不同，无刷直流电机是通过电子方式进行换向的。要让 BLDC 转动起来，就必须按照一定的顺序给子通电。所以，我们需要知晓转子的位置，这样才能按照通电次序给相应的定子线圈通电。定子的位置是通过嵌入到定子的霍尔传感器来感知的。一般会在转子的旋转路径周围安排 3 个霍尔传感器。当转子的磁极掠过霍尔元件的时候，在任何时候都会发生。依据转子当前磁极的极性，霍尔元件会输出与之对应的高电平或者低电平。如此一来，只要依据 3 个霍尔元件所产生的电平的时序，就能够判断出当前的情况。

5、前转子的位置，并相应的对定子绕组进行通电。通电导体处于磁场中时，磁场的作用力会使导体内的电荷向导体的一侧聚集。薄平板通电导体处于磁场中时，这种效应更为明显。一侧聚集了电荷的导体能够抵消磁场的这种影响。因为电荷在导体一侧聚集，所以导体两侧会产生电压。这种现象被称为霍尔效应，E。H霍尔在1879年发现了这一现象，故以此命名。图 2.3.1 展示了 NS 磁极交替排列的转子的横截面。霍尔元件被放置在电机的固定位置。将霍尔元件放置到电机的定子是较为复杂的。因为如果安放位置未与转子的磁场相切，就可能致使霍尔元件的测量值无法准确反映转子当前的位置。基于以上原因，为了使霍尔元件的安装得以简化。

通常在电机的转子上安装一颗冗余磁体，此磁体的作用是专门感应霍尔元件，从而能达到和转子磁体感应相同的效果。霍尔元件一般是按圆周安放在印刷电路板上的，并且配备了调节盖，这样一来，用户就能够依据磁场的方向很方便地调节霍尔元件的位置，以使它处于最佳工作状态。霍尔元件的位置安排有两种，一种是 60 夹角，另一种是 120 夹角。基于这种摆放形式，BLDC 的电流换向顺序是由制造厂商制定的。当我们对电机进行控制时，就需要用到这种换向顺序。霍尔元件的电压范围存在差异，其值在 4V 到 24V 之间；电流范围也有不同，在 5mA 到 15mA 之间。因此，在考虑控制器时，需将霍尔元件的电流和电压要求纳入考量。此外，霍尔元件的输出为集电极开路形式，在使用时必须接上拉电阻。每一次换向都会有相应情况发生。

一组绕组处于正向通电状态；第二组处于反相通电状态；第三组处于不通电状态。转子永磁体的磁场与定子钢片产生的磁场相互作用，从而产生了转矩。从理论上来说，当这两个磁场的夹角为 90 度时，会产生最大的转矩；当这两个磁场重合时，转矩变为 0。为了让转子持续不停地转动，就需要按照顺序改变定子的磁场，就如同转子的磁场一直在追赶定子的磁场一般。BLDC 具有两种转矩度量，分别是最大转矩和额定转矩。当电机处于连续运转状态时所表现出的是额定转矩。无刷电机在未达到额定转速之时，转矩保持不变。无刷电机的最高转速能够达到额定转速的 150%，然而当电机超速时，其转速会发生变化。

矩会有所下降。在实际应用里，我们时常会让带负载的电机进行启动、停转以及逆向运行这些操作，在这种情况下就需要比额定转矩更大的转矩。在转子静止和反方向加速时启动电机，此时需要更大的转矩以抵消负载与转子自身的惯性，并且需要提供最大的转矩直至电机进入正向转矩曲线阶段。2.6 BLDC 与其他类型电机相比较，图 2.6.1 展示了霍尔元件的输出、反电动势和相电流的关系。霍尔元件输出的波形决定了给绕组通电的时序，6.2 对此进行了显示。图 2.6.1 中的通电序号与图 2.6.2 中的序号相对应。每隔 60 夹角，就会有一个霍尔元件改变其输出特性。一圈（通电周期）下来，这种改变会有 6 次，同时相电流也会每 60 改变一次。

但是，每完成一个通电周期，转子并不会转动一周。转子转动一周所需的通电周期数目与转子上磁极的对数有关。如果转子有多少对磁极，那么就需要多少个通电周期。如图 2。6.3 是关于用 MCU 控制无刷电机的原理图。在该原理图中，微控制器控制由 Q0Q5 组成的驱动电路，按照特定的时序为 BLDC 通电。由于电机电压和电流不同，所以可以选择不同的驱动电路，比如 IGBT 或者直接使用双极性三极管。表 2.6.1 和表 2.6.2 表示的是在基于霍尔输入的情况下，在 A、B、C 绕组上的通电时序。表 2.6.转子顺时针转动的时序是 1，转子逆时针转动的时序是表 2.6.2。这两个表格所展示的是霍尔元件呈 60 排列时的驱动波形，之前也提到过霍尔相关内容。

尔元件能以 120 的夹角排列，此时就需相应驱动波形，这些波形可在电机生产商资料中找到，应用时需严格遵守通电时序。如图 2.6.3 所示，假设驱动电压与电机运行时电压相等（包含驱动电路本身损耗），若 PWMx 按给定时序开启和关闭，无刷电机将以额定转速旋转。为了实现调速，我们会采用一种方式，那就是使用远远高于电机运转频率的 PWM 波来驱动电机。一般情况下，我们所需要的 PWM 驱动波形的频率，至少要是电机最高频率的 10 倍。PWM 驱动波形的占空比发生变化时，会导致其在定子上的有效电压发生变化，从而实现了无刷电机的调速。此外，当驱动电源电压高于电机本身的额定电压时，我们能够通过调节 PWM 的占空比，让驱动电源电压适应电机的额定驱动电压。由此可见，

我们能够使用同一个控制器来挂接不同额定电压的电机，在这种情况下，只需让控制器改变一下 PWM 的占空比就可以了。还有另外一种控制方式，那就是当微控制器的 PWM 输出不够用的时候，可以在整个通电时序内让上臂一直处于导通状态（也就是上臂不使用 PWM），而下臂则使用 PWM 来驱动。图 2.6。连接数字和模拟转换通道的分压电路有 3 种，这些分压电路提供了一定速度的参考电压。有了这个参考电压，我们就能够计算 PWM 波形的有效值。闭环控制可通过闭环测量当前电机的转速来达到控制电机转速的目的。我们先计算期望转速与实际转速的误差，接着使用 PID 算法调节 PWM 的占空比，以此来控制电机转速。在低成本、低转速的应用场合，能够使用霍尔传感器获取转速反馈，并且利用 PIC。

微控制器利用自身的一个定时器来测量两个霍尔元件输出的信号，接着依据此信号算出实际的转速。在高转速的应用场合中，我们能够在电机上安装光电编码器，并且可以借助其输出相差 90 度的信号去进行转速和转向的测量。反电动势（BACK EMF）依据楞次定律，当 BLDC 转动时，其绕组会产生一个与绕组两端电压方向相反的反向电压，这个反向电压就是反电动势（BACK EMF）。记住，反电动势与绕组所加电压的方向是相反的。决定反电动势的主要因素包含以下这些：其一，转子的角速度；其二，转子永磁体的磁场强度；其三，每个定子绕组缠绕的线圈。

13、数量。由公式可知，唯一能决定反电动势的量是转子的角速度（也可换算为线速度），且角速度与反电动势成正比。厂家通常会提供电机的反电动势常量。利用这个常量，我们能够用来对某一转速下反电动势的大小进行估计。绕组上的电压等于供电电压减去反电动势。厂家在设计电机时，会选取适当的反电动势常量。这样电机工作时，就有足够的电压差，能使电机达到额定转速并具有足够的转矩。当电机超过额定转速工作时，反电动势会持续上升。此时，加在电机绕组间的有效电压会发生变化。

目前为止我们所讨论的都是基于霍尔元件获取电机转子位置的换向器控制方式，其实是可以直接通过测量电机反电动势来知道转子的位置的，就如在图 2 中所展示的那样。6.1 中能够较为清晰地看出反电动势与霍尔元件输出信号之间的关系。从先前章节的讨论可知，在任何时刻，电机的绕组都存在一相正向通电、一相反向通电以及另外一相不通电的情况。当某相反电动势反向时，霍尔传感器的输出也会随之发生变化。理想状态下，霍尔元件的输出会在相反电动势过零之时发生改变。在实际应用中，会存在一段小的延迟。这种延迟能够通过微控来处理。

图 3.1.1 利用反电动势过零检测来控制 BLDC。电机转速较低时，反电动势较小，过零检测电路无法正常检测。所以在电机启动阶段需使用开环控制。当电机启动到能产生可过零检测的反电动势转速时，系统需切换到过零检测控制模式，进行闭环控制。可以根据电机的反电动势常量计算出最低的过零检测转速。依据此原理，能够去除霍尔元件以及与之安装相关的辅助磁体，从而简化制造并节约成本。此外，除去了霍尔元件的电机能够安装在粉尘和油污较大的地方，无需为保证霍尔的正常工作而定时进行清理。同时，这种免维护电机还可以安装在人很难触及的地方。 选择合

为实际应用选择合适的电机是至关重要的，需要根据电机的负载特性来确定合适的电机参数。其主要参数如下：一是应用的最大扭矩要求；二是平方根（RMS）扭矩需求；三是转速要求。最大扭矩可以通过将负载扭矩、转动惯量和摩擦力相加而得到。另外，有一些其他因素会影响最大需求扭矩，比如气隙空气的阻力等。这就要求至少有 20 的扭矩余量。综上所述，存在以下等式：TJ 是电机启动或加速过程中需要克服的转动力矩，它主要包含电机转子的转动力矩和负载的转动力矩，可表示为：上式中为加速度，JL + M 为定子和负载的转动力矩。电机的机械轴决定着电机的负载力矩和摩擦力。6.2 平方根扭矩可近似认为在实际应用中需要。

持续输出扭矩由很多因素决定，包括最大扭矩、负载扭矩、转动惯量、加速、减速以及运行时间。下面的等式用于计算平方根扭矩，其中 TA 表示加速时间，TD 表示减速时间，TR 表示运行时间。6.3 转速是有应用需求的转速。比如，吹风机的转速有一定需求，其最高转速与平均转速相差不大。显然，在一些点对点定位系统，像传送带和机械臂系统中，就需要转速范围较大的电机。能够依据电机的转速梯形曲线（）来确定电机的转速需求。通常情况下，因为其他因素，在计算电机转速需求时需要预留 10%的余量。BLDC 的应用较为广泛，像汽车领域、工具方面、工业工控领域、自动化领域以及航空航天领域等都有其身影。总体而言，BLDC 能够分为以下三种主要的用途：一是持续负载应用；二是可变负载应用；三是其他一些应用情况。

载应用定位应用 7.1 持续负载应用。这种应用主要被用于一些需要一定转速，然而对转速精度要求不高的领域。例如风扇、抽水机、吹风气等这类应用。通常，这类应用的成本比较低，并且大多是开环控制。7.2 可变负载应用，这类应用主要指电机转速需在某个范围内变化。在这类应用中，对电机的高转速特性和动态响应特性有更高要求。家用器具中的洗衣机是很好的例子，甩干机也是，压缩机同样是。在汽车工业领域，油泵控制是很好的例子，电控制器是，发动机控制是，电子工具也是。航空领域有诸多应用，像离心机、泵、机械臂、陀螺仪等。在这个领域，常使用电机反馈器件来组成半开环和闭环以进行控制。这就使得需要复杂的控制算法，从而增加了控制器的复杂程度，也使系统成本提高了。

本 7.3 定位应用，其中大多数的工业控制方面的应用属于这个类别，同时大多数的自动控制方面的应用也属于这个类别。在这些应用中，会完成能量的输送，例如通过齿轮或传送带。所以，系统对电机的转速的动态响应以及转矩有特别的要求。同时，这些应用可能需要随时改变电机的转向，电机可能处于匀速、加速或减速阶段，并且在这些阶段中负载也可能在变化。因此，这对控制器提出了更高的要求。通常，这种控制会使用闭环控制，甚至会有扭矩环、速度环和位置环三个控制环。测速时可能会用到光电编码器和一些同步设备。有时候这些传感器会被用来测量相对位置，有时候也会被用来测量绝对位置。过程控制、机械控制以及运输控制，很多都属于这类应用。总的来说，无刷电机相较于传统的有刷电机和感应电机，它具有高转速/扭矩比、良好的动态特性、高效率、长寿命、低噪声、宽转速范围以及制造容易等优良特性。特别是其单位体积的功率输出特性，这使得它能够用于对尺寸和重量敏感的场合。这些特性非常优良，使得 BLDC 在工业控制领域、汽车工业、航空航天等领域有着极为广泛的应用。