无刷直流 (BLDC) 电机在汽车（尤其是电动汽车 (EV)）、HVAC、白色家电和工业等领域越来越受欢迎，因为它摒弃了传统电机所使用的机械换向器，用能提高装置可靠性与耐用性的电子器件取而代之。

BLDC 电机的另一个优势是，在保持同等功率输出的情况下，可以比有刷型做得更小、更轻，特别适合空间受限型应用。

劣势是 BLDC 电机必须要使用电子管理系统才能运行。例如，需要使用微控制器（借助传感器的输入来指示转子位置）在正确的时刻激励定子线圈。精确的定时功能可以实现精确的速度和扭矩控制，还可确保电机以峰值能效运行。

本文阐述了 BLDC 电机的基本运行知识以及控制三相装置的典型控制电路。此外，本文还介绍了一些专为 BLDC 电机控制而设计的集成模块，设计人员可选用这些模块来简化电路设计。

无刷方式的优势

传统电机的电刷可将电力输送到转子绕组，绕组在激励后会形成固定磁场。固定电刷与旋转转子上的旋转金属触头之间的摩擦会造成磨损。此外，由于电刷与金属触头接触不良和电弧放电，也可能导致功率损耗。

由于 BLDC 电机摒弃了电刷，代之以“电子换向器”，因此消除了这种磨损和功率损耗来源，进而提升了电机的可靠性和能效。除此之外，与有刷直流电机和感应电机相比，BLDC 电机还拥有其他多种优势，包括更好的速度比扭矩特性、更快的动态响应、无噪声操作以及更高的速度范围。¹

另外，其输出扭矩相对于电机尺寸的比率更高，因而非常适合洗衣机和电动汽车等应用。这些应用需要高功率，但也将紧凑性和轻量性视为关键因素。（然而，应该注意的是有刷直流电机有更高的起动扭矩。）

BLDC 电机属于“同步”型设备，因为转子与定子产生的磁场可以相同的频率旋转。这种布置的一个好处是 BLDC 电机不会经历感应电机通常会发生的“打滑”情况。

该电机可分为单相、双相或三相类型，其中三相是最常用的，也是本文要探讨的类型。

BLDC 电机的定子由钢片组成且采用轴向开槽，可沿着内部圆柱面容纳偶数个绕组（图 1）。虽然 BLDC 电机的定子类似于感应电机的定子，但绕组的分布方式有所不同。

图 1：BLDC 电机定子，显示了开槽钢环以及轴向绕组。（图片由 Microchip 友情提供。）

转子采用永久磁体制造，具有两到八个 N-S 磁极对。增加磁体对可提高扭矩，消除所谓的扭矩波动，从而让电机的功率输送更加均衡。缺点则是控制系统更加复杂、成本提高且最高速度降低。

过去，业界使用铁氧体磁性材料制造永久磁体，但现代工厂倾向于使用稀土磁性材料。尽管这些磁性材料更加昂贵，但它们可以产生更大的磁通密度，用更小的转子达到给定扭矩。这些高强度磁性材料的使用是 BLDC 电机比同尺寸的有刷直流电机输出更高功率的一个重要原因。

如需详细了解 BLDC 电机的构造和运行信息，请参考 Microchip Technology 发布的相关应用说明 (AN885)。²

基本运行知识

BLDC 电机的电子换向器会依序激励定子线圈，产生旋转电磁场，从而“拖拽”转子随之旋转。N 次“电子转动”相当于一次机械转动，其中 N 表示磁体对数量。

对于三相电机，定子中会嵌有三个霍尔效应传感器，向控制器指示定子和转子的相对位置，从而确保其在正确的时间按照正确的顺序激励绕组。霍尔传感器通常安装在设备的非驱动端（图 2）。

图 2：霍尔传感器内嵌在 BLDC 电机的定子中，用于确定绕组的激励顺序。（图片由 Microchip 友情提供。）

当转子磁极经过霍尔传感器时，即会产生一个高强度（对于一个磁极）或低强度（对于相对磁极）信号。具体的换向顺序可通过结合这三个传感器发来的信号加以确定，具体如下所述。

所有电机均会由于绕组通过相关磁场的运动而产生电压电位。这种电位称为电动势 (EMF)，而且，根据楞次定律，它会在绕组中产生电流，而其磁场会抗拒磁通量的原始变化。简单地说，这意味着电动势倾向于抵抗电机的旋转，因此又称为“反”电动势。在既定电机磁通量和绕组数固定的情况下，电动势与转子的角速度成正比。

不过，反电动势固然会对电机造成一些“拖累”，但也存在有益之处。通过监控反电动势，微控制器可以在无需使用霍尔效应传感器的情况下，确定定子和转子的相对位置。这可以简化电机构造、降低成本，同时省去因支持传感器而进行的额外电机连线和连接，进而在有灰尘和湿气的环境下提高其可靠性。

然而，固定式电机不会产生反电动势，因此微控制器无法在启动时确定电机元器件的位置。解决方法就是在开环配置方式下启动电机，直到产生的电动势足以供微控制器开启电机监控。这些称作“无传感器”的 BLDC 电机越来越受欢迎。

控制 BLDC 电机

虽然 BLDC 电机在机械上相对简单，但它们需要更复杂的电子控制器件和稳压电源。设计人员所面临的挑战就是：提供能够通过精确控制来实现高效运行的三相高功率系统。

图 3 显示了驱动采用霍尔效应传感器的 BLDC 电机的典型布局。（有关使用反电动势测量值来控制无传感器 BLDC 电机的内容将在以后的文章中介绍。）在该系统中，电机的三个线圈呈“Y”形排列，另外还有一个 Microchip PIC18F2431 微控制器、一个绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 驱动器以及一个由六个 IGBT 组成的三相逆变器（亦可使用金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 实现高功率开关功能）。微控制器的输出（由 IGBT 驱动器镜像）含有脉冲宽度调制 (PWM) 信号，可确定线圈的平均电压和平均电流（进而确定电机的速度和扭矩）。电机使用了三个霍尔效应传感器（A、B 和 C）来指示转子位置。转子本身则使用两对永久磁体产生磁通量。

图 3：采用 8 位微控制器的 BDLC 电源控制系统。（图片由 Microchip 友情提供。）

该系统采用六步换向序列实现每次电子转动。由于电机具有两对磁体，因此需要两次电子转动才可转动一次电机。

图 4 显示了与图 3 电机相同的线圈布局（此次标记为 U、V 和 W）以及每步的电流（共六步），图 5 显示了后续的霍尔效应传感器输出和线圈电压。

图 4：三相 BLDC 电机一次电子转动的线圈激励顺序。（图片由 Atmel 友情提供。）

图 5：霍尔效应传感器的状态决定了何时及如何激励线圈。每个线圈皆连接一对霍尔效应传感器。（图片由 Atmel 友情提供。）

一对霍尔效应传感器决定了微控制器何时激励线圈。在本例中，传感器 H1 和 H2 决定线圈 U 的开关。当 H2 检测到 N 磁极时，线圈 U 将正向激励；当 H1 检测到 N 磁极时，线圈 U 将断开；当 H2 检测到 S 磁极时，线圈 U 将反向闭合，最后，当 H1 检测到 S 磁极时，线圈 U 再次断开。同样地，传感器 H2 和 H3 决定线圈 V 的激励，而传感器 H1 和 H3 决定线圈 W 的激励。

在每一步中，有两个相位闭合，一个相位将电流馈送给电机，另一个相位形成电流返回路径。还有一个相位处于断开状态。微处理器可控制必须闭合三相逆变器中的哪两个开关，以正向或反向激励两个有源线圈。例如，闭合图 3 中的 Q1 将正向激励线圈 A，闭合 Q2 将反向激励线圈 B 以提供返回路径。线圈 C 保持打开状态。

在设计全尺寸电机之前，设计人员可以使用基于 8 位微控制器的开发套件来测试控制机制。例如，Atmel 为 BLDC 电机控制器生产了一种基于 ATxmega128A1 8 位微控制器的平价入门级套件 ATAVRMC323。⁴ 其他几家供应商也提供类似的套件。

驱动 BLDC 电机

尽管 8 位微控制器结合三相逆变器是一个好的开端，但还不足以构建一个完整的 BLDC 电机控制系统。要构建这一系统，必须使用稳压电源来驱动 IGBT 或 MOSFET（图 3 所示的“IGBT 驱动器”）。幸运的是，几家主流半导体供应商均为此设计了集成驱动器芯片，能够轻松实现构建。

这些器件通常由降压转换器（旨在给微处理器供电以及满足其他系统功率要求）、栅极驱动器控制及故障处理装置以及一些定时和控制逻辑组成。Texas Instruments 的 DRV8301 三相前级驱动器就是一个很好的例子（图 6）。

图 6：Texas Instruments 的 DRV8301 电机驱动器在一个封装中集成了降压稳压器、栅极驱动器和控制逻辑。

该前级驱动器支持高达 2.3 A 的灌入峰值电流和 1.7 A 的拉出峰值电流，并且仅需要一个输入电压为 8 V 到 60 V 的电源。当高压侧或低压侧 IGBT 或 MOSFET 发生切换以防止电流贯通时，该器件将使用自动握手模式。

ON Semiconductor 提供类似芯片 LB11696V。对于这款芯片，可通过在输出电路中加装分立晶体管来实现具有所需输出功率（电压和电流）的电机驱动器电路。此外，该芯片还提供了全套保护电路，因此适用于需要高可靠性的应用。此款器件专为大型 BLDC 电机而设计，例如空调和即热型热水器的电机。

总结

与传统电机相比，BLDC 电机具有多种优势。由于无需在电机中使用电刷，因此不会发生因使用机械零件而导致的效率下降、磨损老化或灾难性故障。此外，高强度稀土磁性材料的开发能够让生产的 BLDC 电机输出与有刷电机相同的功率，但占用的空间更小。

一个明显缺点就是，BLDC 电机与有刷类型不同，需要使用电子系统来监控线圈的激励顺序以及提供其他控制功能。若没有电子系统，电机将无法运行。

然而，随着便宜耐用、专为电机控制而设计的电子器件的普及，电路设计也变得相对简单和便宜。事实上，BLDC 电机可以借助普通的三相正弦波或方波生成器以基本配置运行，甚至无需使用微控制器。例如，Fairchild Semiconductor 就为这种应用开发了 FCM8201 芯片，并发布了相关的应用说明。⁵

类似地，ON Semiconductor 的 MC33033 BLDC 电机控制器也在芯片上集成了转子位置解码器，因此无需使用微控制器即可构建完整的系统。该器件可用于控制三相或四相 BLDC 电机。

然而，采用 8 位微控制器（通过出厂提供的代码或开发人员自己的软件进行编程）给控制系统增加的成本非常小，但却能为用户提供非常出色的电机控制功能。它不仅能提供更精确的位置、速度或扭矩输出，还能确保电机以最佳能效运行。

参考资料：

1. “Brushless DC Motor Primer,” Muhammad Mubeen, July 2008.

2. “Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals,” Padmaraja Yedamale, Microchip Technology application note AN885, 2003.

3. “Using the PIC18F2431 for Sensorless BLDC Motor Control,” Padmaraja Yedamale, Microchip Technology application note AN970, 2005.

4. “AVR1607: Brushless DC Motor (BLDC) Control in Sensor mode using ATxmega128A1 and ATAVRMC323,” Atmel application note, 2010.

5. “FCM8201 Three-Phase Sine-Wave BLDC Motor Controller,” Fairchild Semiconductor application note AN-8201, 2011.