結構

在四軸飛行器或者一些航模上，都能看到這種類型的直流無刷電機，它通常有三條線，U，V，W，當然航模上還需要配置一個電調(ESC)——作為電機的驅動器。

這里的電調往往有兩種驅動方式，六步方波，或者FOC驅動，下面主要對六步方波驅動方式進行分析。

無刷直流電機

直流無刷由定子和轉子構成，是電樞繞組，轉子是永磁體；兩對極電機，分別是U1，V1，W1，U2，V2，W2。

2對極BLDC內部結構

電機的定子是電樞繞組在通過交變電流的時候，會產生磁場，電樞的材料是鐵芯，可以導磁，這樣可以增大磁場的強度，磁場的方向取決于電流的方向，具體可以根據右手螺旋定則來判斷。

右手螺旋定則

換相原理

這里我們簡單介紹一下轉子旋轉的過程，即無刷直流電機的換相原理：

首先我們對電樞繞組施加適當大小的電流，線圈將產生一個磁場，該磁場將吸引轉子的永磁體；

如果我們一個接一個地激活每個線圈，這樣可以產生一個旋轉的磁場，由于永磁體和電磁體之間的力相互作用，轉子將在旋轉的磁場作用下繼續旋轉。

旋轉磁場

但是上面提到，這里是兩對極的直流無刷電機，那么為了提高電機的效率，我們可以將兩個相反的線圈組成一個繞組，這樣會產生與轉子極相反的磁極，從而獲得雙倍的磁場的力。

共同通電

初步了解了內部的結構和通電機制之后，我們就需要產生相應的驅動信號去產生旋轉的磁場，帶動轉子轉動。

通常我們會在MCU中會固化一段代碼，這段代碼可以產生驅動信號；然后驅動信號通過IPM間接驅動六個功率開關元器件（這里可以是MOSFET），從而產生旋轉的磁場。

電機模型可以等效成三個星型連接的電感，所以我們需要做的工作就是如何去產生驅動信號。

這個驅動信號又符合什么樣的規律呢？下面我們進一步介紹驅動信號。

兩兩通電：如果我們將 A 相上拉至高電平，然后在另一側將 B 相接地，則電流將從 VCC 流過A 相，中性點和 B 相，最終流向地。

因此，只需一個電流，我們就可以產生了四個不同的磁極，從而導致轉子移動。

兩兩通電的情況

其實電機內部一般可以等效成一個星型的連接方式，A，B，C三相的中性點連接在一起，外部通過MOSFET或者IGBT組成功率開關元器件，進行控制，所以這里也可以說明無刷直流電機，通常有U，V，W三條線引出來。

首先規定一下我們的驅動電路的相應符號：

使用SW1和SW2作為一個上下管驅動U，或者是a；

使用SW3和SW4作為一個上下管驅動V，或者是b；

使用SW5和SW6作為一個上下管驅動W，或者是c；

然后我們在這里規定：上管打開標記為+，下管打開標記為-，上下管都不開標記為0。

最終讓轉子朝一個方向旋轉的驅動時序應該是這樣的：

a+，b-，c0

a+，b0，c-

a0，b+，c-

a-，b+，c0

a-，b0，c+

a0，b-，c+

六步方波

驅動的六步方波時序正確之后，我們基本可以實現對無刷直流電機的開環控制驅動了；

具體的驅動時序可以簡單畫一下，對于每一相而言都需要六步的驅動時序，然后兩相之間的相位相差120°。

例如A相的六步相序需要比B相超前120°，B相需要比C相超前120°，

驅動信號時序

下面是我實際過程中測試的上管的方波驅動信號，可以和A相，B相，C相的信號對應起來。

實測波形

閉環控制

實現開環運行之后，就要進行閉環控制了，首先有一點需要說明的是，前面的六步PWM時序，并沒有根據轉子的實際位置進行磁場的切換，所以可能出現的情況，就是失步，這個有點類似步進電機。

結論就是實際磁場旋轉的速度可能遠快于轉子旋轉的速度，導致磁場的旋轉速度和轉子不同步，所以就造成了失步。

如果這里引入轉子的位置反饋量，就可以完美的解決這個問題，所以通常會加入霍爾傳感器來檢測實際的轉子位置。

無刷直流電機內的霍爾傳感器

轉子處于不同位置的時候霍爾傳感器會產生相應的信號，并且還可以根據霍爾信號計算轉速，作為后面速度閉環的反饋值。

霍爾信號

一般來說增加了霍爾傳感器，在成本和電機的結構復雜程度上都會大大增加，所以，這里可以通過檢測每一相的反電動勢（Back EMF)，來進行位置的估算以及速度的計算。

反電動勢

無感方波的驅動方式難點在于啟動和過零點的檢測上，通常啟動可以使用三段式啟動的方式，即轉子預定位，開環強拖，開環切閉環，這三個過程。

另外還可以進行高頻注入的方式確定轉子的初始位置，然后直接進行啟動，在過零點的檢測和換相存在一定的難度。

結論

本文簡單介紹了有刷直流電機和無刷直流電機的結構和原理，以及各自的優勢。進一步介紹了無刷直流電機的六步方波驅動原理，簡單提及了閉環控制中一些注意點。