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無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)變得越來(lái)越流行，原因不言自明，因?yàn)槭褂脗鹘y(tǒng)電機(jī)時(shí)始終會(huì)有電刷磨損，更換為電子控制器后將會(huì)大大提升設(shè)備的的可靠性。而且在保持同等功率輸出的情況下，BLDC 電機(jī)可以做得更小、更輕，特別適合空間受限型應(yīng)用。

由于 BLDC 電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子之間不存在機(jī)械和電接觸，因此需要替代方法來(lái)指示零部件的相對(duì)位置，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制。 BLDC 電機(jī)使用兩種方式之一來(lái)實(shí)現(xiàn)此目的，即采用霍爾傳感器或測(cè)量反電動(dòng)勢(shì)。

廢除傳感器

BLDC 電機(jī)去掉了組成傳統(tǒng)裝置機(jī)械換向器的磨損零件（改進(jìn)了可靠性）此外，BLDC 電機(jī)具有高扭矩/電機(jī)尺寸比率，快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，且?guī)谉o(wú)工作噪聲。

BLDC 電機(jī)歸類為同步設(shè)備，因?yàn)檗D(zhuǎn)子和定子的磁場(chǎng)頻率相同。定子由鋼片組成，軸向開(kāi)槽以便沿著內(nèi)部圓柱面容納奇數(shù)個(gè)的繞組。轉(zhuǎn)子采用永久磁體制造，具有兩到八個(gè) N-S 磁極對(duì)。

BLDC 電機(jī)的電子換向器順次激勵(lì)定子線圈，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)，從而“拖拽”圍繞它的轉(zhuǎn)子。通過(guò)確保線圈在正確的時(shí)間獲得精確地激勵(lì)來(lái)實(shí)現(xiàn)有效運(yùn)轉(zhuǎn)。

傳感器很有用，但會(huì)增加成本，增加復(fù)雜性（由于需要附加繞組），并降低了可靠性（部分原因是傳感器連接更容易受到灰塵和潮濕環(huán)境的污染）。無(wú)傳感器控制方式解決了這些不足。

利用反電動(dòng)勢(shì)

電機(jī)的繞組切過(guò)磁力線時(shí)就象一個(gè)發(fā)電機(jī)。此時(shí)會(huì)在繞組中產(chǎn)生電勢(shì)，以電壓表示，稱作電動(dòng)勢(shì) （EMF）。按照倫茨定律，這一電動(dòng)勢(shì)會(huì)產(chǎn)生二次磁場(chǎng)，對(duì)抗驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的磁通量的原始變化。簡(jiǎn)而言之，這種電動(dòng)勢(shì)會(huì)阻礙電機(jī)自然運(yùn)動(dòng)，因而稱之為“反”電動(dòng)勢(shì)。在既定電機(jī)磁通量和繞組數(shù)固定的情況下，電動(dòng)勢(shì)的幅度與電機(jī)的角速度成正比。

BLDC 電機(jī)制造商指定了一個(gè)稱“作反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)”的參數(shù)，用來(lái)估計(jì)既定速度的反電動(dòng)勢(shì)。通過(guò)從供應(yīng)電壓中減去反電動(dòng)勢(shì)即可計(jì)算出繞組上的電勢(shì)。電機(jī)是這樣設(shè)計(jì)的，當(dāng)它們以額定速度運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)和供應(yīng)電壓間的電勢(shì)差將會(huì)引起電機(jī)消耗額定電流并輸出額定扭矩。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)超出額定速度時(shí)會(huì)大幅增加反電動(dòng)勢(shì)，從而降低了繞組的電勢(shì)差，反過(guò)來(lái)減少了電流并降低了扭矩。更快地推動(dòng)電機(jī)仍會(huì)引起反電動(dòng)勢(shì)（加上電機(jī)損耗）完全等于供應(yīng)電壓——此時(shí)，電流和扭矩都將為零。

因?yàn)榉措妱?dòng)勢(shì)會(huì)降低電機(jī)扭矩，這有時(shí)是一種劣勢(shì)，但對(duì)于 BLDC 電機(jī)，工程師卻可以將這種現(xiàn)象轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)勢(shì)。

三相 BLDC 電機(jī)變換序列的各個(gè)階段是通過(guò)正向激勵(lì)一個(gè)繞組、反向激勵(lì)第二個(gè)繞組，然后讓第三個(gè)繞組開(kāi)路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖 1 顯示了此類電機(jī)的第一個(gè)六階段換向序列的簡(jiǎn)化示意圖。

霍爾效應(yīng)傳感器式替代反電動(dòng)勢(shì)的方法

圖 1：針對(duì) BLDC 電機(jī)的第一個(gè)六階段電循環(huán) 線圈 A 正向激勵(lì)，線圈 B 為開(kāi)路，C 反向激勵(lì)（Microchip 提供）。

使用霍爾傳感器的 BLDC 電機(jī)使用受 MCU 控制并通過(guò)驅(qū)動(dòng)器操作的設(shè)備產(chǎn)生的輸出，來(lái)切換絕緣柵雙極晶體管（IGBT）或金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）以正常順序激勵(lì)線圈。當(dāng)霍爾傳感器輸出變化狀態(tài)時(shí)，這些晶體管就會(huì)觸發(fā)（同時(shí)線圈會(huì)被激勵(lì)）。¹

BLDC 電機(jī)的無(wú)傳感器變型電機(jī)，則無(wú)霍爾效應(yīng)傳感器。相反，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，三個(gè)線圈中的反向電動(dòng)勢(shì)會(huì)以梯形（長(zhǎng)虛線）方式變化，如圖 2 所示。為便于比較，同一圖中也顯示了類似配置電機(jī)的霍爾傳感器的輸出。

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圖 2：三相 BLDC 電機(jī)的霍爾傳感器輸出與反電動(dòng)勢(shì)之比較注意，霍爾傳感器的切換方式與跨過(guò)無(wú)傳感器電機(jī)中零點(diǎn)時(shí)相應(yīng)線圈的反電動(dòng)勢(shì)是一致的（Microchip 提供）。

所有三個(gè)零交叉點(diǎn)的組合用來(lái)決定線圈的激勵(lì)序列。注意，傳統(tǒng) BLDC 電機(jī)中單個(gè)霍爾傳感器變化輸出，與無(wú)傳感器電機(jī)中單個(gè)線圈的反電動(dòng)勢(shì)零交叉點(diǎn)之間有一個(gè) 30 度的相位差。因此，在檢測(cè)到零交叉點(diǎn)之后，我們會(huì)在無(wú)傳感器電機(jī)電路的固件中內(nèi)置一個(gè) 30 度相位延遲，然后再激活激勵(lì)序列中的下一個(gè)動(dòng)作。圖 2 中，短虛線表示線圈中的電流。

圖 3 顯示了無(wú)傳感器三相 BLDC 電機(jī)的一個(gè)控制電路。在這種情況下，該電路使用了 Microchip PIC18FXX31 8 位 MCU 來(lái)產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制（PWM）輸出，以觸發(fā)三相逆變器橋中的 IGBT 或 MOSFET。該 MCU 對(duì)來(lái)自反電動(dòng)勢(shì)零交檢測(cè)電路的輸入作出反應(yīng)。

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