如何控制無刷電機(jī)

（本文編譯自Electronic Design）

無刷直流電機(jī)也被簡稱為無刷電機(jī)或BLDC電機(jī)，它憑借高可靠性與高性能的運(yùn)動控制表現(xiàn)得到廣泛應(yīng)用。這類電機(jī)摒棄了易產(chǎn)生顆粒且存在磨損問題的機(jī)械電刷，轉(zhuǎn)而采用電子換向方式。無刷直流電機(jī)的優(yōu)勢體現(xiàn)在高扭矩輸出、高轉(zhuǎn)速以及無電刷運(yùn)行的特性上，但其主要缺點(diǎn)是，相比有刷直流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，成本更高。

無刷直流電機(jī)主要分為兩大類：旋轉(zhuǎn)式無刷直流電機(jī)和直線式無刷直流電機(jī)。其中旋轉(zhuǎn)式無刷直流電機(jī)的細(xì)分類型更多，可根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分為內(nèi)轉(zhuǎn)子式和外轉(zhuǎn)子式，也可按磁通形式分為軸向磁通型和徑向磁通型；內(nèi)轉(zhuǎn)子式無刷直流電機(jī)又可進(jìn)一步分為內(nèi)置永磁體式（IPM）和表面貼磁式。此外，依據(jù)鐵芯結(jié)構(gòu)的不同，無刷直流電機(jī)還可分為有槽式和無槽式。

上述多數(shù)結(jié)構(gòu)變體對電機(jī)的控制方法影響較小，但會對扭矩重量比、運(yùn)行平穩(wěn)性、最大加速度和最高轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵性能指標(biāo)產(chǎn)生顯著影響。

在各類定位電機(jī)中，三相無刷電機(jī)的定位如何？圖1通過兩幅曲線圖，對比了不同類型電機(jī)在功率重量比和扭矩重量比兩項(xiàng)核心性能指標(biāo)上的表現(xiàn)。針對特定應(yīng)用場景，這兩項(xiàng)指標(biāo)通常有一項(xiàng)更為關(guān)鍵，而二者實(shí)際存在關(guān)聯(lián)，因?yàn)楣β实亩x為扭矩與轉(zhuǎn)速的乘積。

圖1：對比了有刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和無刷直流電機(jī)的扭矩重量比與功率重量比。

無刷直流電機(jī)的磁路特性至關(guān)重要

弄清電機(jī)內(nèi)部的工作原理以及無刷電機(jī)的扭矩產(chǎn)生機(jī)制，是理解各類無刷直流電機(jī)控制技術(shù)工作原理的基礎(chǔ)。圖2為沿電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸俯視所得，并投影至XY平面的無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子磁場分布。

圖2：三相無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子與定子磁矢量。

扭矩由轉(zhuǎn)子永磁體和定子繞組產(chǎn)生的磁場相互作用生成。每個定子繞組（圖2中記為A、B、C繞組）都會產(chǎn)生各自的磁矢量，各矢量之間的夾角為120°，這些獨(dú)立矢量被稱為繞組電流空間矢量。

由于所有定子繞組共用一個鐵芯，定子磁場的合方向可視為由三個獨(dú)立繞組矢量疊加而成的單個矢量，該疊加后的矢量被稱為定子電流空間矢量。

在圖2中，中間的綠色磁體為轉(zhuǎn)子，可將其視作一個簡單的條形磁體，擁有南極和北極。根據(jù)定子各繞組的驅(qū)動方式不同，繞組產(chǎn)生的作用力既可以與轉(zhuǎn)子磁場方向垂直，也可以與轉(zhuǎn)子磁場方向平行，這兩種不同的作用力分別被稱為交軸（Q）力和直軸（D）力。

定子三相繞組產(chǎn)生的磁場如何合成為單個定子電流空間矢量？答案是，定子合矢量的方向和幅值等于各繞組電流空間矢量的矢量和（見圖3）。Ia、Ib、Ic分別為A繞組通電流Ia、B繞組通電流Ib、C繞組通電流Ic時產(chǎn)生的磁場。

圖3：A、B、C三相繞組矢量疊加形成定子電流空間矢量。

這三個互成120°夾角的磁矢量，因各繞組通流不同，幅值也各不相同。在上述示例中，A繞組通流3.4安，B繞組通流1.0安，C 繞組通流4.4安。這些矢量繪制于XY平面，將各矢量首尾相連即可得到合矢量，即圖3中可見的綠色定子合磁矢量。

當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場與定子磁場的夾角呈90°（垂直）時，交軸力（產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的力）達(dá)到最大值，直軸力（不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的力）為零；反之，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場與定子合磁場平行時，交軸力為零，直軸力達(dá)到最大值。只有垂直方向的交軸力能產(chǎn)生有效的旋轉(zhuǎn)扭矩，平行方向的直軸力僅會對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生擠壓作用，無法生成旋轉(zhuǎn)扭矩。

為輸出最大扭矩，控制器會調(diào)節(jié)定子矢量的角度，使其始終與轉(zhuǎn)子磁矢量保持垂直，這一過程被稱為換相?？刂破魍ㄟ^接收電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置傳感器信號實(shí)現(xiàn)該操作，從而在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中實(shí)時調(diào)整定子磁場角度。

無刷直流電機(jī)中電機(jī)極數(shù)的重要性

電機(jī)極數(shù)是無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵要素。無刷電機(jī)的繞組設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)：電機(jī)機(jī)械旋轉(zhuǎn)360°對應(yīng)定子電角度旋轉(zhuǎn)360°，或?qū)?yīng)電角度旋轉(zhuǎn)兩個360°，亦或?qū)?yīng)電角度旋轉(zhuǎn)多個360°。需注意，此處的電角度旋轉(zhuǎn)360°，指的是定子磁場角度完成360°旋轉(zhuǎn)。

定子電角度旋轉(zhuǎn)360°對應(yīng)電機(jī)機(jī)械旋轉(zhuǎn)360°的電機(jī)為兩極電機(jī)（磁場經(jīng)過一個北極和一個南極），兩極電機(jī)也可稱為一對極電機(jī)；定子電角度旋轉(zhuǎn)兩個360°對應(yīng)電機(jī)機(jī)械旋轉(zhuǎn)360°的電機(jī)為四極電機(jī)。無刷直流電機(jī)的極數(shù)可為2、4、6、12或其他偶數(shù)，極對數(shù)均為極數(shù)的一半。

無刷直流電機(jī)不同極數(shù)各有何優(yōu)劣？總體而言，極數(shù)越多，無刷直流電機(jī)的扭矩輸出越高，但最高轉(zhuǎn)速越低。電機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速還受諸多設(shè)計(jì)因素影響，在其他條件相同的情況下，極數(shù)差異帶來的主要功能影響即為此。

旋轉(zhuǎn)式與直線式無刷直流電機(jī)的區(qū)別

旋轉(zhuǎn)式電機(jī)的所有原理同樣適用于直線式無刷電機(jī)。

直線式無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)是怎樣的？圖4展示了直線式電機(jī)與旋轉(zhuǎn)式電機(jī)的對比。直線式無刷直流電機(jī)本質(zhì)上是被展開的旋轉(zhuǎn)式無刷直流電機(jī)，二者均配備定子——容納線圈的部件，也均配備轉(zhuǎn)子——搭載永磁體的部件。

圖4：旋轉(zhuǎn)式電機(jī)與直線式無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)布局對比。

需注意，“轉(zhuǎn)子”這一術(shù)語用于直線電機(jī)易造成混淆，因其并無旋轉(zhuǎn)動作。盡管如此，我們?nèi)匝赜迷撔g(shù)語，原因是目前尚無其他被廣泛認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語來指代直線電機(jī)的這一部件。

從定子角度調(diào)節(jié)來看，直線電機(jī)的控制方式與旋轉(zhuǎn)式無刷電機(jī)相近。直線電機(jī)同樣通過換相方式驅(qū)動定子繞組，調(diào)節(jié)矢量角度，以實(shí)現(xiàn)有效交軸力的最大化和無效直軸力的最小化。

直線式無刷直流電機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子可采用兩種不同的配置形式：一種是定子（帶線圈的部件）固定、轉(zhuǎn)子（帶磁體的部件）移動；另一種則為定子移動、轉(zhuǎn)子固定的反向配置（見圖5、圖6）。

圖5：直線式無刷直流電機(jī)采用定子固定、動子沿導(dǎo)軌運(yùn)動的結(jié)構(gòu)形式。

圖6：直線式無刷直流電機(jī)采用定子移動、磁軌固定的結(jié)構(gòu)形式。

直線式無刷直流電機(jī)的“軌道式”布局衍生出一種桿式結(jié)構(gòu)方案：該桿體嵌有南北極交替排列的磁體，因此充當(dāng)轉(zhuǎn)子部件。此類結(jié)構(gòu)同樣有兩種配置方式，既可采用轉(zhuǎn)子（桿體）移動、定子固定的形式，更常見的則是轉(zhuǎn)子固定、定子沿桿體移動的形式（見圖7）。

圖7：桿式直線無刷直流電機(jī)采用磁極交替排布的結(jié)構(gòu)。

無論采用何種布局形式，直線無刷電機(jī)都是對可靠性和響應(yīng)速度有高要求應(yīng)用場景中的常用選擇。盡管其成本遠(yuǎn)高于通過滾珠絲杠、小齒輪等機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動的執(zhí)行器，卻能實(shí)現(xiàn)更高的定位精度，這是因?yàn)閷⑿D(zhuǎn)轉(zhuǎn)變直線的傳動機(jī)構(gòu)不可避免地會產(chǎn)生齒隙和柔性形變，從而降低最終的定位精度。

推動直線無刷直流電機(jī)普及的一個重要因素，是高分辨率編碼器的性價比不斷提升。正余弦編碼器、BiSS-C串行編碼器數(shù)據(jù)接口等新型編碼器已實(shí)現(xiàn)商用，與先進(jìn)的信號處理電路配合后，直線運(yùn)動平臺和XY運(yùn)動平臺可實(shí)現(xiàn)納米級甚至皮米級的超高定位分辨率。

無刷直流電機(jī)控制器的核心組成

無刷直流電機(jī)屬于“多相”器件，即需為電機(jī)定子中的多個線圈通電，才能驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)。圖8展示了三相無刷電機(jī)控制器的控制架構(gòu)。

圖8：無刷直流電機(jī)系統(tǒng)的軌跡生成、換相、電流控制及功率放大環(huán)節(jié)。

多數(shù)無刷直流電機(jī)控制器均包含數(shù)個核心組成模塊。其一為運(yùn)動輪廓生成模塊，該模塊的運(yùn)動輪廓既可由控制器內(nèi)部生成，也可通過網(wǎng)絡(luò)連接從外部導(dǎo)入。運(yùn)動輪廓的選擇需結(jié)合具體應(yīng)用場景，卻是控制器整體運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，合理的運(yùn)動輪廓可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)吞吐量最大化，同時降低被控機(jī)構(gòu)的振動幅度。

在位置控制應(yīng)用中，位置控制環(huán)會生成電流指令，以最小化電機(jī)期望（指令）位置與實(shí)際（檢測）位置的偏差。部分應(yīng)用場景僅需速度控制而非位置控制，此類情況下控制器會采用速度伺服環(huán)替代位置控制環(huán)。

無論采用何種控制環(huán)，其輸出均為期望電流指令，該指令可對應(yīng)電機(jī)需輸出的期望扭矩大小。

隨后對該電流指令執(zhí)行換相操作，即將總期望電流分配為三路獨(dú)立指令，分別對應(yīng)電機(jī)的三相繞組。換相方案的種類繁多，具體選擇取決于所使用的位置傳感器，以及對電機(jī)效率和運(yùn)行平穩(wěn)性的設(shè)計(jì)要求。接下來，電流控制環(huán)會檢測各相繞組的實(shí)際通流，并對施加的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，使實(shí)際電流與指令電流高度匹配。

最后由功率放大器將電壓指令施加至各相繞組。目前，絕大多數(shù)功率放大器均采用基于脈寬調(diào)制（PWM）的開關(guān)橋設(shè)計(jì)，這類設(shè)計(jì)兼具高效率與易控性的優(yōu)勢；但在對電磁干擾（EMI）有超低要求的電子系統(tǒng)中，仍會選用線性放大器。

無刷直流電機(jī)控制器的架構(gòu)存在諸多衍生變體。例如，部分控制器未對電機(jī)繞組采用有源電流控制；在非定位類應(yīng)用中，部分控制器則完全省去了位置傳感器，該技術(shù)被稱為無傳感器控制。

結(jié)語

綜上，無刷直流電機(jī)的控制核心建立在對其磁路交互、矢量合成與換相原理的深度理解之上，從旋轉(zhuǎn)式到直線式的結(jié)構(gòu)演變，也始終圍繞最大化交軸有效扭矩、優(yōu)化電機(jī)性能這一核心邏輯。無論是旋轉(zhuǎn)式電機(jī)的高速高扭矩應(yīng)用，還是直線式電機(jī)的超高定位精度需求，唯有將電機(jī)本體特性與控制技術(shù)精準(zhǔn)匹配，才能充分發(fā)揮無刷直流電機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢。