電機(jī)將供應(yīng)的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。常用的電機(jī)類型很多，其中，無(wú)刷直流電機(jī)(BLDC)因?yàn)楦咝始皟?yōu)異的可控性，而廣泛用于各種應(yīng)用中。相對(duì)于其他類型的電機(jī)，BLDC電機(jī)具有省電的優(yōu)勢(shì)。
當(dāng)工程師面臨設(shè)計(jì)電氣設(shè)備以執(zhí)行機(jī)械工作的挑戰(zhàn)時(shí)，可能會(huì)思考如何將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為動(dòng)能。而驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)就是能將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)的裝置，使加諸于電機(jī)上的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。
常見(jiàn)的電機(jī)類型
有刷電機(jī)工作示意圖
電機(jī)類型以電源類型（交流或直流）及其產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的方法（如上圖所示）而有所不同。以下將簡(jiǎn)要說(shuō)明各類電機(jī)的特性及用途。
有刷直流電機(jī)是最簡(jiǎn)單的一種電機(jī)。在這種電機(jī)中，電流通過(guò)放置在固定磁場(chǎng)內(nèi)的線圈時(shí)，于線圈周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，由于每個(gè)線圈都被固定磁場(chǎng)的同性磁極推開(kāi)并受到異性磁極的吸引，使線圈組件旋轉(zhuǎn)。為保持旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，必須使電流不斷的反向，讓線圈的極性連續(xù)翻轉(zhuǎn)，使線圈不斷「追逐」異性的固定磁極。藉由使固定的導(dǎo)電刷與旋轉(zhuǎn)的換向器(commutator)接觸，供電給線圈，而換向器的旋轉(zhuǎn)造成了通過(guò)線圈的反向電流。換向器及電刷是區(qū)別有刷直流電機(jī)與其他種類電機(jī)的關(guān)鍵元件。
有刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且容易控制，廣泛用于打開(kāi)與閉合光碟托盤。在汽車中，經(jīng)常用以降下、升起及定位電動(dòng)車窗。這些電機(jī)成本低，故適合許多應(yīng)用。但缺點(diǎn)是電刷及換向器因?yàn)槌掷m(xù)接觸而容易較快磨耗，需要頻繁更換及定期維護(hù)。
步進(jìn)電機(jī)由脈沖驅(qū)動(dòng)，隨著每一個(gè)脈沖旋轉(zhuǎn)至特定的角度（步進(jìn)）。由于以接收到的脈沖數(shù)量準(zhǔn)確地控制旋轉(zhuǎn)，這些電機(jī)廣泛用于位置調(diào)整。舉例來(lái)說(shuō)，其經(jīng)常用于傳真機(jī)和印表機(jī)的進(jìn)紙控制，因?yàn)檫@些裝置按照固定的段數(shù)進(jìn)紙，能輕松地關(guān)聯(lián)至脈沖計(jì)數(shù)。而由于電機(jī)會(huì)在脈沖訊號(hào)中斷后立即停止旋轉(zhuǎn)，故亦能輕松進(jìn)行暫?？刂?。
由于同步電機(jī)的旋轉(zhuǎn)頻率與供應(yīng)的電流頻率相同。這類電機(jī)經(jīng)常用于驅(qū)動(dòng)微波爐內(nèi)的轉(zhuǎn)盤，利用電機(jī)單元中的減速機(jī)取得適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速來(lái)加熱食物。然而感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速亦會(huì)隨頻率而改變，但并非同步移動(dòng)。這種電機(jī)過(guò)去經(jīng)常用于電風(fēng)扇和洗衣機(jī)內(nèi)。
還有許多常用的電機(jī)類型。
直流無(wú)刷電機(jī)（簡(jiǎn)稱為 BLDC 電機(jī)）——雖然掛著“直流”的名號(hào)——實(shí)際上是一種三相電流同步電機(jī)：轉(zhuǎn)子跟隨旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)，其運(yùn)動(dòng)與施加在繞組上的交流電壓同步。這種電機(jī)類型之所以通常被稱為“無(wú)刷直流電機(jī)”是因?yàn)?，在許多應(yīng)用中，該電機(jī)可以替換有刷直流電機(jī)（有刷直流或換向器式電機(jī)）。在有刷直流電機(jī)中，施加直流電壓后，電機(jī)中的機(jī)械逆變器（電刷）會(huì)產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)的交流電。
配合電子驅(qū)動(dòng)控制器（取代電刷的功能并將饋入的直流電轉(zhuǎn)換為交流電），BLDC 電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)與有刷直流電機(jī)相當(dāng)?shù)男阅埽鵁o(wú)需使用壽命有限的電刷。因此，BLDC 電機(jī)也被稱為 EC（電子換向）電機(jī)，以便與包含電刷的機(jī)械換向電機(jī)進(jìn)行區(qū)分。
另外一個(gè)經(jīng)常使用的術(shù)語(yǔ)是 PMSM，其中文全稱是“永久磁鐵型同步電機(jī)”。這里的“永久磁鐵”用于與其他同步電機(jī)進(jìn)行區(qū)分：其他同步電機(jī)依靠轉(zhuǎn)子上的勵(lì)磁繞組運(yùn)轉(zhuǎn)，而 BLDC 則處于永久勵(lì)磁狀態(tài)。換而言之，即使不給定子通電，電機(jī)轉(zhuǎn)子也會(huì)通過(guò)永久磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)。
為了用于區(qū)分帶有正弦感應(yīng)電壓（反電動(dòng)勢(shì)）的 PMSM 電機(jī)和帶梯形感應(yīng)電壓的 BLDC 電機(jī)（見(jiàn)下文），PMSM 和 BLDC 這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)通常會(huì)并列出現(xiàn)?，F(xiàn)在的大多數(shù) BLDC 電機(jī)都具有正弦反電動(dòng)勢(shì)。
無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)/類型
大部分 BLDC 電機(jī)是“內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)”，其定子帶有線圈，固定不動(dòng)；中間的轉(zhuǎn)子則在轉(zhuǎn)軸上永久磁鐵的作用下旋轉(zhuǎn)。而在“外轉(zhuǎn)子電機(jī)”中，定子位于內(nèi)側(cè)，轉(zhuǎn)子包括一個(gè)在外部旋轉(zhuǎn)的鐘形外殼，磁體安裝在該外殼上。
內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低，散熱非?？?。相反，在外轉(zhuǎn)子電機(jī)中，由于存在轉(zhuǎn)子外殼和磁體，發(fā)熱線圈與環(huán)境隔絕，散熱相對(duì)較慢。由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)矩很大且很難控制轉(zhuǎn)子外殼的平衡，所以外轉(zhuǎn)子電機(jī)不適用于旋轉(zhuǎn)速度很高的模式。
因此，內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)在大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用中廣泛使用。外轉(zhuǎn)子電機(jī)在大批量生產(chǎn)應(yīng)用中具有較大優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檫@種模式可以降低生產(chǎn)成本。外轉(zhuǎn)子電機(jī)也可以擁有更短的結(jié)構(gòu)并通常具備更小的齒槽轉(zhuǎn)矩，而由于在相同的磁力下，它的轉(zhuǎn)子直徑更大，因此其轉(zhuǎn)矩也更大。
這兩種電機(jī)通常都設(shè)計(jì)成三相電機(jī)。不過(guò)，也有使用單相或兩相的設(shè)計(jì)。在下文中，將只研究三相 BLDC 電機(jī)，因?yàn)?Nanotec 只生產(chǎn)三相電機(jī)產(chǎn)品。
內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)和外轉(zhuǎn)子電機(jī)均使用齒槽繞組，繞組線纏繞在定子極靴上（鐵芯），這樣繞組的磁場(chǎng)線就可以流出并匯聚成確定形狀。為了讓渦流的電流損失降至最低，定子由相互抵消的薄絕緣金屬板制成。
對(duì)非常小的電機(jī)來(lái)說(shuō)，內(nèi)轉(zhuǎn)子中一種非常重要的特殊設(shè)計(jì)形式就是無(wú)齒槽 BLDC 電機(jī)。它們的定子僅由環(huán)狀金屬片構(gòu)成，內(nèi)部附著一個(gè)粘連或封裝的扁平繞組。因?yàn)闆](méi)有鐵芯，電機(jī)的電感非常低，而且繞組的電流增長(zhǎng)非?？?。此外，鐵損大幅減少，所以電機(jī)具有更高的效率等級(jí)。在慢速運(yùn)行中，缺少轉(zhuǎn)矩波動(dòng)可以帶來(lái)正面效應(yīng)。與標(biāo)準(zhǔn) BLDC 電機(jī)不同，極靴的磁場(chǎng)沒(méi)有增強(qiáng)，因此沒(méi)有齒槽轉(zhuǎn)矩。這種設(shè)計(jì)類型對(duì)直徑小于 40 mm 的電機(jī)來(lái)說(shuō)非常重要，因?yàn)槠涔β拭芏认啾扔旋X槽電機(jī)大幅提升。這是由于，因?yàn)樯a(chǎn)關(guān)系，有齒槽電機(jī)中繞組之間有很大部分的定子都是空的。而在無(wú)齒槽電機(jī)中，這個(gè)安裝空間可以完全填滿銅繞組。電機(jī)的直徑越小，無(wú)齒槽電機(jī)展現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)勢(shì)就越大。
內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)
外轉(zhuǎn)子電機(jī)
無(wú)齒槽-BLDC-電機(jī)
BLDC電機(jī)是如何驅(qū)動(dòng)的？
顧名思義，無(wú)刷直流電機(jī)不使用電刷。若為有刷電機(jī)，電刷透過(guò)換向器將電流送入轉(zhuǎn)子上的線圈內(nèi)。那么無(wú)刷電機(jī)如何將電流傳遞至轉(zhuǎn)子線圈？不需要，因?yàn)榫€圈不在轉(zhuǎn)子上。相反的，轉(zhuǎn)子是一個(gè)永久磁鐵，線圈不會(huì)旋轉(zhuǎn)，而是固定在定子上。因?yàn)榫€圈固定不動(dòng)，故不需要電刷及換向器。
有刷電機(jī)是藉由控制轉(zhuǎn)子上線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，但靜止磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)是固定不變。如欲改變轉(zhuǎn)速，需改變線圈的電壓。若為BLDC電機(jī)，是永久磁鐵在旋轉(zhuǎn)，藉由改變周圍固定線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向，使其旋轉(zhuǎn)。如欲控制旋轉(zhuǎn)，需調(diào)整進(jìn)入線圈的電流大小及方向。
BLDC電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)
在定子上有三個(gè)線圈的BLDC電機(jī)，會(huì)有六條從這些線圈延伸出的電線（每個(gè)線圈兩條）。大部分的使用方式為將其中三條導(dǎo)線在內(nèi)部連接，而另外三條導(dǎo)線則從電機(jī)本體拉出（不像前述有兩條導(dǎo)線從有刷電機(jī)拉出）。在BLDC電機(jī)殼體內(nèi)接線比單純連接電池的正極和負(fù)極要復(fù)雜，將于本系列第二節(jié)中詳細(xì)說(shuō)明此等電機(jī)的工作原理。以下將說(shuō)明BLDC電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)并進(jìn)行總結(jié)。
效率是其中的一大優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檫@些電機(jī)可持續(xù)控制在最大旋轉(zhuǎn)力（扭力）上。相反的，有刷電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)只有在特定位置才能達(dá)到最大扭力。有刷電機(jī)若要能提供與無(wú)刷電機(jī)相同的扭力，必須使用更大的磁鐵，這就是即使小型BLDC電機(jī)仍能提供大功率的原因。
與第一項(xiàng)有關(guān)的第二項(xiàng)優(yōu)勢(shì)在于可控性。利用反饋機(jī)制，可控制BLDC電機(jī)精準(zhǔn)地提供所需要的扭力及轉(zhuǎn)速。另一方面，精準(zhǔn)控制可降低能耗及溫升，若電機(jī)由電池供電，則可延長(zhǎng)電池壽命。
而且因?yàn)闆](méi)有電刷，BLDC電機(jī)還具備高耐用性且產(chǎn)生的電氣雜訊(electric noise)極低。若為有刷電機(jī)，電刷及換向器會(huì)因?yàn)槌掷m(xù)移動(dòng)接觸而磨耗，并在接觸時(shí)產(chǎn)生火花。其中，電氣雜訊就是電刷通過(guò)換向器間隙時(shí)容易發(fā)生之強(qiáng)烈火花的結(jié)果。這也是在必須避免電氣雜訊的應(yīng)用中，經(jīng)常優(yōu)先選用BLDC電機(jī)的原因。
BLDC電機(jī)理想的應(yīng)用場(chǎng)合
我們已經(jīng)知道BLDC電機(jī)能提供高效率、可控性，而且具有較長(zhǎng)的使用壽命。那有什么應(yīng)用較為合適呢？因?yàn)楦咝是议L(zhǎng)壽，使其廣泛用于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的裝置中。像是洗衣機(jī)、空調(diào)及其他消費(fèi)性電子產(chǎn)品，因其高效率有助于大幅降低功耗，近年來(lái)也用在風(fēng)扇上，吸塵器的驅(qū)動(dòng)也是用BLDC電機(jī)來(lái)達(dá)成。只需要變更控制的方法，即可大幅提高電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這是BLDC電機(jī)絕佳可控性的一個(gè)實(shí)例。
BLDC電機(jī)也用于硬碟的驅(qū)動(dòng)，在此情況下，其耐用性使硬碟機(jī)能長(zhǎng)時(shí)間可靠運(yùn)作，同時(shí)其能源轉(zhuǎn)換效率亦有助于在降低，在能耗變得日益重要的領(lǐng)域中達(dá)成此目標(biāo)。
未來(lái)的應(yīng)用更寬廣
我們預(yù)期未來(lái)將可看到更多BLDC電機(jī)的應(yīng)用。例如：可能將廣泛地用于驅(qū)動(dòng)服務(wù)型機(jī)器人，即在制造領(lǐng)域之外提供服務(wù)的機(jī)器人。有些人可能認(rèn)為步進(jìn)電機(jī)較適合此等應(yīng)用，因?yàn)槟芾妹}沖精準(zhǔn)地控制位置。但BLDC更適合用以控制力道。使用步進(jìn)電機(jī)，若要使機(jī)械手臂固定在定點(diǎn)位置上，通常需要較大且連續(xù)的電流來(lái)維持。
若使用BLDC電機(jī)，所需要的不過(guò)是與外力成比例的電流，進(jìn)而進(jìn)行更高能源轉(zhuǎn)換效率的控制。BLDC電機(jī)亦可取代高爾夫球車及代步車內(nèi)的有刷直流電機(jī)。除更高的效率外，BLDC電機(jī)亦能實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的控制，因而進(jìn)一步延長(zhǎng)電池壽命。
BLDC電機(jī)也非常適合無(wú)人機(jī)的應(yīng)用。精準(zhǔn)控制的能力使其特別適合多旋翼無(wú)人機(jī)，因?yàn)楸仨毥逵删珳?zhǔn)控制每個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速，才能控制無(wú)人機(jī)的姿態(tài)。
BLDC直流無(wú)刷電機(jī)的控制
連接更為復(fù)雜
直流無(wú)刷電機(jī)的內(nèi)部及外側(cè)
轉(zhuǎn)子為永久磁鐵，不會(huì)有電流通過(guò)。不需要碳刷及整流子，因此使用壽命更長(zhǎng)。
上圖所示為一種典型的直流無(wú)刷電機(jī)──內(nèi)轉(zhuǎn)子型的外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。應(yīng)注意的是此電機(jī)的永久磁鐵安裝在轉(zhuǎn)子上，而線圈位于外側(cè)。這與線圈在轉(zhuǎn)子上而永久磁鐵在外側(cè)的典型有刷直流電機(jī)完全不同。由于直流無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子不使用線圈，故不需為其提供電流，這也是沒(méi)有碳刷的原因。
直流無(wú)刷電機(jī)比有刷電機(jī)更難驅(qū)動(dòng)。若為有刷電機(jī)，只需將電源連接至電機(jī)的正負(fù)極導(dǎo)線即可。但直流無(wú)刷電機(jī)的導(dǎo)線數(shù)量與有刷電機(jī)不同，連接較為復(fù)雜。
控制磁場(chǎng)
圖2-A：直流無(wú)刷電機(jī)旋轉(zhuǎn)原理
典型配置：三個(gè)間隔120o的線圈。藉由控制相位及線圈電流驅(qū)動(dòng)。
欲使直流無(wú)刷電機(jī)旋轉(zhuǎn)，需要知道電流進(jìn)入線圈的方向及時(shí)機(jī)。圖2(a) 說(shuō)明直流無(wú)刷電機(jī)的定子(線圈)及轉(zhuǎn)子(永久磁鐵)。我們將利用此圖說(shuō)明如何使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。在此例中將使用三個(gè)線圈，但實(shí)務(wù)上較普遍的做法為使用六個(gè)或更多線圈。但在此僅使用三個(gè)間隔120o的線圈。如上一節(jié)所述，電機(jī)負(fù)責(zé)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。那么圖示中的電機(jī)是怎么做到的？我們來(lái)看看內(nèi)部的情況。
在我們的范例中展示一個(gè)三線圈繞阻的三相電機(jī)。分別將線圈標(biāo)示為U、V及W。記住，電流通過(guò)線圈會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。由于有三個(gè)線圈，故有三條可通過(guò)電流的路徑，分別稱為U相(電流進(jìn)入U(xiǎn)線圈)、V相(進(jìn)入V線圈)及W相。先來(lái)看U相。若電流只通過(guò)U相，則產(chǎn)生的磁通量如圖2(b)箭頭所示。實(shí)際上，所有三個(gè)線圈是透過(guò)來(lái)自各線圈的一條導(dǎo)線相連，并且不可能單獨(dú)產(chǎn)生U相。圖2(c)顯示電流通過(guò)U及W線圈(相位「U及W」)時(shí)的情況，同樣以箭頭表示各線圈產(chǎn)生的磁通量。圖2(d)中的寬箭頭為合成通量，即結(jié)合U與W磁場(chǎng)合成后的結(jié)果。此大的磁通量將導(dǎo)致內(nèi)部轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，直到轉(zhuǎn)子永久磁鐵的S和N極與此箭頭對(duì)齊(N極最接近箭頭尖端)。
圖2-B：直流無(wú)刷電機(jī)旋轉(zhuǎn)原理
電流先通過(guò)U再通過(guò)W。箭頭顯示線圈U產(chǎn)生的磁通量。
圖2-C：直流無(wú)刷電機(jī)旋轉(zhuǎn)原理
電流通過(guò)U及W。兩個(gè)箭頭分別表示線圈U及W產(chǎn)生的磁通量。
圖2-D：直流無(wú)刷電機(jī)旋轉(zhuǎn)原理
寬箭頭表示合成磁通量──U及W產(chǎn)生的磁通量之和。
藉由持續(xù)切換磁通量使永久磁鐵不斷追逐線圈產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，維持旋轉(zhuǎn)。換句話說(shuō)，必須連續(xù)切換使U、V及W通電，保持合成磁通量移動(dòng)，才能產(chǎn)生能持續(xù)拉動(dòng)轉(zhuǎn)子磁鐵的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。
圖3顯示通電相位與磁通量之間的關(guān)系。如圖所示，依序從模式1切換至模式6將使轉(zhuǎn)子以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一圈?？山逵煽刂葡辔蛔兓乃俣瓤刂妻D(zhuǎn)速。我們將此處所述之6種模式控制法稱為「120度方波控制」。
圖3：不斷變化的合成磁通量持續(xù)拉動(dòng)轉(zhuǎn)子磁鐵，使轉(zhuǎn)子以同樣的速度旋轉(zhuǎn)。
正弦控制提供平順的旋轉(zhuǎn)
利用120度方波控制，只有六個(gè)合成磁通量方向用以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。舉例來(lái)說(shuō)，從模式1切換至模式2(參見(jiàn)圖3)使合成磁通量方向移動(dòng)60o，進(jìn)而拉動(dòng)轉(zhuǎn)子。從模式2切換至模式3使磁通量方向再移動(dòng)60o，并再次拉動(dòng)轉(zhuǎn)子。重復(fù)此過(guò)程以驅(qū)動(dòng)直流無(wú)刷電機(jī)，但這樣的驅(qū)動(dòng)方式則會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩漣波。在部分情況下，此漣波會(huì)造成不必要的振動(dòng)與機(jī)械噪音。
替代120度方波控制的方法，是利用正弦控制實(shí)現(xiàn)更平順且更安靜的操作。若是120度方波控制，連續(xù)循環(huán)通過(guò)六個(gè)固定的合成通量(如圖2(c)所示)會(huì)產(chǎn)生同樣大小的磁通量。但藉由更謹(jǐn)慎的控制進(jìn)入U(xiǎn)、V及W的電流，可在各線圈產(chǎn)生不同的磁通量大小，能更準(zhǔn)確的改變合成磁通量。(參見(jiàn)圖4。)
藉由精確調(diào)整進(jìn)入三相中各相的電流，即能達(dá)到更連續(xù)的合成磁通量變化，進(jìn)而使電機(jī)旋轉(zhuǎn)更平順。
圖4：正弦控制
藉由控制進(jìn)入所有三相的電流，即能比120度方波控制達(dá)到更精準(zhǔn)控制合成磁通量的大小及方向，以實(shí)現(xiàn)更平順的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。合成磁通量不再限于六個(gè)不連續(xù)的方向。
以變頻器控制
讓我們?cè)俅螜z視進(jìn)入U(xiǎn)、V及W之電流的性質(zhì)。為求簡(jiǎn)單，僅以120度方波控制說(shuō)明運(yùn)作原理?；氐綀D3，可看到在模式1中電流從U進(jìn)入W，在模式2中從U進(jìn)入V。如圖中箭頭所示，每次通電線圈組合的變化都會(huì)導(dǎo)致磁通量方向相應(yīng)改變。
現(xiàn)在來(lái)看模式4。此時(shí)電流從W進(jìn)入V，剛好與模式1相反。若為有刷直流電機(jī)，則可藉由碳刷與整流子達(dá)到此等電流反轉(zhuǎn)。按照定義，直流無(wú)刷電機(jī)無(wú)法使用碳刷或其他機(jī)械接觸實(shí)現(xiàn)此等反轉(zhuǎn)。相反的，一般是使用變頻器電路進(jìn)行此控制。
而且使用變頻器電路亦可調(diào)整進(jìn)入各線圈的電壓，因此還能控制電流的大小。調(diào)整電壓的典型方式為透過(guò)脈沖寬度調(diào)變(PWM)。在此方式中，藉由延長(zhǎng)或縮短脈沖導(dǎo)通(ON)時(shí)間(亦稱為「責(zé)任周期」：導(dǎo)通時(shí)間以導(dǎo)通(ON)＋斷開(kāi)(OFF)切換間隔比率表示)改變電壓。增加責(zé)任周期具有與提高電壓相同的效果，減少責(zé)任周期則具有與降低電流相同的效果。(參見(jiàn)圖5。)
可使用配備有專門硬體的MPU實(shí)現(xiàn)PWM輸出。120度方波控制僅需要控制兩相電壓，在軟體中即可相對(duì)容易的實(shí)現(xiàn)；但正弦控制是使用三相電壓控制，控制上較為復(fù)雜。因此，需要適當(dāng)?shù)淖冾l器電路以驅(qū)動(dòng)直流無(wú)刷電機(jī)。應(yīng)注意，變頻器亦可與交流電機(jī)搭配使用。但在消費(fèi)性電子產(chǎn)品中使用的「變頻器類型」一詞，通常是指直流無(wú)刷電機(jī)。
圖5：PWM輸出vs.輸出電壓
改變責(zé)任周期(各切換周期內(nèi)的接通時(shí)間)會(huì)改變有效電壓。
直流無(wú)刷電機(jī)及位置感測(cè)器
如前所述，藉由持續(xù)改線圈產(chǎn)生之磁通量的方向性，驅(qū)動(dòng)直流無(wú)刷電機(jī)。轉(zhuǎn)子上的永久磁鐵以相同的速度不斷追逐移動(dòng)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，造成轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
但到目前為止都還沒(méi)提到控制這些電機(jī)另一個(gè)重要因子：位置。由于直流無(wú)刷電機(jī)控制必須與轉(zhuǎn)子(磁鐵)位置協(xié)調(diào)，因此這些電機(jī)一般都會(huì)帶有包含偵測(cè)位置的位置感測(cè)器。在不知道轉(zhuǎn)子位置的情況下施加電流，可能會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向錯(cuò)誤。使用位置感測(cè)器即可防止此等問(wèn)題。
表1顯示這些電機(jī)中常用的位置感測(cè)器類型。不同的控制方法使用不同的感測(cè)器類型。訊號(hào)輸入間隔60o的霍爾元件(Hall elements)最適合采用120度方波控制的電機(jī)，在此情況下唯一要做的就是決定通電的相位。更精準(zhǔn)的感測(cè)器，例如解角器(resolvers)及光學(xué)編碼器，更適合采用向量控制(說(shuō)明如下)、更精細(xì)的控制電機(jī)內(nèi)的磁通量。
雖然感測(cè)器具有明顯優(yōu)勢(shì)，但亦有其缺點(diǎn)。有些感測(cè)器對(duì)灰塵的耐受性非常低，而且需要定期維護(hù)。有些只能在有限的溫度范圍內(nèi)正常運(yùn)作。使用感測(cè)器及建置所有伴隨電路會(huì)增加制造成本，而高精度感測(cè)器當(dāng)然也最昂貴。目前市面上的「無(wú)感測(cè)器直流無(wú)刷電機(jī)」完全不需使用感測(cè)器，是降低零件及維護(hù)成本的一種方式。但本節(jié)旨在說(shuō)明操作原理，故假設(shè)使用感測(cè)器以追蹤轉(zhuǎn)子位置。
感測(cè)器類型典型應(yīng)用特性
霍爾元件120度方波控制每60度取得一次信號(hào)。相對(duì)便宜。耐熱性不佳。
光學(xué)編碼器正弦波控制、向量控制兩類：增量型(偵測(cè)距離與原點(diǎn)的位移)及絕對(duì)型(偵測(cè)當(dāng)前位置)。高解析度?；覊m耐受性不佳。
解角器正弦波控制、向量控制高解析度。堅(jiān)固?？捎糜趪?yán)苛的環(huán)境。
向量控制維持高效率
如前所述，正弦控制利用三相電流平順的控制磁通量，以實(shí)現(xiàn)平順的旋轉(zhuǎn)。而120度方波控制在任一時(shí)間點(diǎn)僅使三相(U、V及W)中的兩相通電，正弦控制明顯更為復(fù)雜，因其必須準(zhǔn)確提供不同的電流量至全部三個(gè)相位。
降低此復(fù)雜性的一個(gè)方法是向量控制，利用計(jì)算轉(zhuǎn)換座標(biāo)空間，將三相交流值視為兩相直流值處理。但此方法僅適用于能提供高解析度位置資訊之情況，以供計(jì)算使用。取得此資訊的一個(gè)方法是使用高精度感測(cè)器(光學(xué)編碼器、解角器等)。另一種「無(wú)感測(cè)器」法是依據(jù)進(jìn)入各相之電流的大小預(yù)測(cè)位置。不論何種方式，轉(zhuǎn)換座標(biāo)空間可直接控制與扭力有關(guān)的電流以實(shí)現(xiàn)高效率操作，幾乎不會(huì)浪費(fèi)電流。
實(shí)現(xiàn)向量控制需要密集的數(shù)學(xué)運(yùn)算，包括快速求解轉(zhuǎn)換座標(biāo)換算所需要的三角函數(shù)能力。用以控制這些電機(jī)的MCU通常包含F(xiàn)PU(浮點(diǎn)運(yùn)算單元)，必須要能提供強(qiáng)大與即時(shí)的運(yùn)算能力。
本文老wu整理自瑞薩電子：
https://www.renesas.com/tw/zh/support/technical-resources/engineer-school-tw/brushless-dc-motor-01-overview-tw.html
以及納諾達(dá)克電子：
https://www.nanotec-cn.cn/products/156-brushless-dc-motors/
