来源：bsport体育注册 作者：bsport体育登录|发布时间：2024-12-23 11:45:01
无刷电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。无刷电机通常用于航模，工业等场景，有着低干扰、噪声低、寿命长的优点。
首先我们介绍一下无刷电机的具体结构，图1.1.1所示为常用的无刷电机照片，它的具体内部结构如图1.1.2所示，缠绕的线圈在外部，称作“定子”，永磁体在内部，称作“转子”，线圈分为三相，每一相相隔的角度为120°，三相在线圈的末端是相连的。这样在外部线圈通电的条件下，即可产生磁场，内部的永磁体在外部磁场的带动下即可开始旋转。
我们再来看看怎么才能让这个电机转动起来。当电机A相通入12V电压，B和C相都接地时，线所示。由于有电流才会产生磁场，电机中的磁场方向如图1.2.2所示。转子也将在磁场的作用下转动到如图的位置，图中红色轮廓为磁场方向。
当A、B相置12V电压，C相接地时，通过图1.2.3我们不难看出，磁场的合力方向逆时针转动了60°，此时虽然磁场合力变化了，但是转子还是停留在0°的位置，所以会形成如图1.2.4所示的状态，合力会给转子一个转动的力，故转子在磁场的作用下也逆时针转动60°。
例如：当转子在0°（即状态1）时，线°，从而利用转子与合力的角度偏差驱动转子转动，当转子转动到60°时（即状态2），线圈状态则需要转换到状态3，使得合力转动到120°，如此往复。
但是，我们也能够很明显的看出这种方法存在的问题：无法精确的控制转动角度和转动速度。例如，在状态1时，转子的角度为0°，在状态2时，转子的角度为60°，倘若我们需要使得转子保持在30°时，六步换向法就不再有效。并且，在转子转动的过程中，合力的方向与大小不变，但是转子的位置在变化，所以转子在转动的过程中受到的力大小并不是恒定的。尽管这种情况在转动时很难被察觉到，但在精度要求较高时这种影响也不可被忽视。
3.无刷电机线圈安装在外部，在电机工作时是不会转动的（定子）。转动的是内部的永磁体（转子）。
以下是无刷电机的结构简图，我们定义电流从外向内流动为正方向。当电流向正方向流动时，产生磁场的方向平行于电流向外。
当电流从外向内流动时，产生一个向外的磁场。我们将这个磁场用向量进行表示，而磁场的方向与磁场加在转子上的力方向一致，故我们可以用电流矢量来代替力的矢量，并且电流大小与磁力大小成正比。通过将电流矢量进行合成，我们可以得到磁力的合力，就是这个合力驱动电机转动。
例如，当A线的电流时，由于线圈可以等效的看作电阻且阻值大小相等，所以整个电机的等效电路如图1.3.3所示，B线个线圈产生磁力的示意图就可以如图1.3.5所示，再将3个线圈产生的合力进行合成，就能得到转子的受力示意图。由于电流大小与磁力大小成正比，所以我们假设：当线圈上流入单位电流时，产生k单位的磁力。
那么，我们通过第一节的分析就已经知道，只需要合力矢量不断的转动，就能够驱动电机转动。那我们就用最直观的方法来看一下究竟什么驱动信号才能驱动电机转动。
我们知道三相上的力能够合成为一个力，那么这个合力也能够分解到三个方向上。当一个旋转的矢量被分解时，如图1.3.6所示：
其中， 为合力在 A 相上的分量， 为合力在 B 相上的分量， 为合力在C 相上的分量， 为合力转动的角度， 为合力。
通过观察我们不难发现：A、B和C相上的分力为相位差为120°的正弦波时，通过合成，可以合成为一个角速度为 的旋转矢量，当合力的方向与电机的角度不一致时，会给转子一个横向的力，从而可以驱动转子随着合力的转动而转动。
我们回顾一下第一节中提出的“六步换向法”缺点：1.不能任意控制转动角度，2.不能精确控制转动速度。我们再用第二节中提出的正弦波驱动方法进行尝试，可以发现：当电机内磁场的合力在均匀旋转时，可以通过控制合力旋转的速度来控制电机的转动速度。也可以控制信号输出为某一时刻三个正弦信号的瞬时值来控制电机的转动角度（即合力方向与转子方向相同）。
至此，我们就已经了解了无刷电机的基本控制方法，但是我们不难看出，这距离真正的实际运用还相去甚远，下面我们就来看一下上面提到的控制方法有什么问题：1.不能进行负反馈调节。在上面的控制方法中，只能对电机进行粗略的控制，倘若我们把电机堵转，产生的合力方向依然在按设定的速度在旋转，而转子由于堵转并没有旋转。2.上文提到的合力是用电流来表示的，但是我们知道，在实际的工程运用中，我们只能够通过控制电压来控制电流，而电机中含有电感、反电动势、内阻等多种影响因素，不能直接使用欧姆定律来进行计算。所以我们还需要找到一种控制电流的方法来解决以上两个问题。
我们在上面的分析中可以看到，无刷电机用正弦波驱动，但是这只是无刷电机中的一种，叫做“直流永磁同步电机”（PMSM），无刷电机分为PMSM和BLDC。那么为什么要有PMSM和BLDC的分类呢？BLDC发明的初衷就是为了简化无刷电机的驱动方式。比如说航模上的电机，如果采用正弦波的方式进行驱动，将会增加驱动的复杂度，所以就诞生了方波驱动方式的无刷电机。这样，采用较为简单的驱动电路并且不需要位置传感器就能进行BLDC的驱动。
但是，在实践中发现，BLDC通常也能够通过正弦波的方式进行驱动。下文中，我们着重介绍PMSM的驱动方式，也就是正弦波驱动。
对于1.3节中提出的问题1，如果需要进行负反馈调节，那么将会需要控制三个变量。这对于实际运用上来说是很繁琐的，而且很难确定负反馈调节的对应关系。那么我们需要一种方法，将原先需要控制的三个变量，通过某种变换，转换成一个变量，而且这个变量能够清晰明了的反映当前的控制状态。
在上文中我们已经用到过类似的方法，将三个线圈上的力合成为一个合力。这三个分力来自于三个互为120°线圈产生的磁力。在上文中我们建立了一个三坐标轴、坐标轴互为120°的二维坐标（如图2.1.1a），而我们常用的坐标是双坐标轴，坐标轴互为90°（如图2.1.1b），本节所述的clarke变换目的就是将三坐标轴的矢量转换到双坐标轴上来。
如图2.1.2所示，通过三角函数变换可以求出三坐标中每条坐标轴上的变量合成到双坐标轴上的大小。
通过简单的矩阵运算，我们就能将三坐标的矢量转换到双坐标上。但是我们之前讲到，最理想的环境是将三个变量转换到一个变量，所以我们还需要进行一次变换。
在Clarke变换中我们已经将三坐标轴的值转换成双坐标轴的矢量了，接下来，为了便于控制，我们需要知道在转子旋转的方向上，我们究竟加上了多大的力。
如图2.2.1，我们以转子为基准建立坐标轴，也就是说这个坐标轴会随着转子的转动而改变，其中，平行于转子方向的坐标轴称为D轴，垂直于转子方向的轴称为Q轴。
从图中可以看出，在变换之后，θ是转子当前转动的角度，这个角度在工程上通过角度传感器测量出来。Q轴上的分量就是加在转子上横向的力，D轴上的分量是平行于转子的力，D轴上这个力对于转子的旋转并没有任何的作用，还会浪费能源，所以这个力在控制电机的时候需要尽力的消除掉。
通过这样的变换，我们就能将曾经的三个变量的控制，化简为主要对一个变量的控制（D轴上的分量可以控制也可以不控制，在此我们忽略不计）。
例如：我们在控制时如果需要电机转动的更快，就加大Q轴上的值，如果需要电机匀速转动，就保证Q轴上的分量与电机的阻力相等。需要减速就控制Q轴上的分量与电机转动的方向相反。这样，就能通过更加直观的方法简便和精确的控制电机转动的速度和力矩了（Q轴上的分量可以等效的看作电机的力矩）。就如图2.2.2所示，控制吊在猪前面萝卜的远近就能够控制猪跑得快还是跑得慢。
但是，我们之前的变换只是将三个坐标轴的矢量转换成了旋转坐标轴的矢量，控制的是Q轴上的值。在真正驱动电机的时候，还是需要三坐标矢量，也就是三相电流去驱动电机。所以，在确定了Q轴上分量的大小后，还需要将旋转坐标上的矢量转换成为三坐标轴上的矢量，从而对电机进行驱动。
上文中已经说到，我们需要控制的是Q轴上的分量，设定好Q轴上的分量后需要将旋转坐标轴上的矢量转换成为电机上三相电流的大小。所以，我们需要进行clarke变换与park变换的逆变换：也就是反clarke变换与反park变换。这两个变换也很简单，只需要通过三角函数将矢量分解就好，在此不再赘述，直接列出公式：
在之前的章节中，我们介绍了：控制电机的转动只需要控制Q轴上力矢量的大小。但是，我们在实践中常用到的是控制电机转动的速度和转动的角度。那么，我们就需要应用到常用的PID控制。
我们可以直接控制的变量就是作用在转子上的力矩。我们既然要控制当前的力矩，那么必须要用传感器来监测当前的力矩究竟是多少，在这里，我们使用电流传感器（在之后的文章中我们将会介绍它的具体构造，在这里我们只需要知道这个可以监测）、位置传感器监测转子当前转动的角度（park变换中需要使用到当前转子转动的角度），进而用PID算法完成我们的控制操作（如果不了解PID算法和串级PID算法，建议对其稍加了解后再看本节）。由于在控制时需要对三相的矢量进行变换，所以对力矩的控制思路如图3.1.1所示。
从图中我们可以看到，在控制电机转动的过程中，输入为力矩的目标大小，在通过与电流传感器的输出值clarke变换与park变换后，进行相减，然后通过PID进行比例、微分、积分的调节，之后将PID的输出值进行反park变换与反clarke变换，最后这些输出值输入到无刷电机中，从而控制电机的转动。
在这里我们需要注意一点，即无刷电机的输入。在之前第2节中我们提到过，Clarke变换和park变换中，都是用的电流进行变换。但在最终控制无刷电机时，我们唯一能够控制电机转动的方法是控制加在电机上的电压大小。所以在这里，我们需要控制三相电压的大小来完成电机的转动控制。
式中：uα、uβ、iα、iβ分别为α-β坐标系下定子电压和电流；Rs、L、ψ为定子电阻、定子电感和转子永磁体磁链；ω、θ为电机电角速度和转子位置。
从式子中不难看出，电压也是可以进行Park变换与Clarke变换的，可以将电流矢量与电压矢量放在同一个坐标系下进行比较。虽然电流与电压并不成正比关系，但总体来说电压越大，电流越大。比如在Q坐标系下，我们需要将电流增大，那么只需要控制Q方向上的电压增大，就能达到控制电流增大的效果。
之前我们说到过，电压的大小也能够通过Park变换与Clarke变换转换到旋转坐标上。当某个坐标轴上的电流需要改变时，只需要增加或者减少那个坐标轴上的电压大小即可。
在图3.2.1中，SA1、SA2等以S开头的标志为N型MOS管，在这里我们将其当作电子开关，即当A相需要为高电平时：SA打开1、SA2关闭，A相需要为低电平时SA关闭1、SA2打开。具体的运行原理和电路图我们将会在之后的文章中讲到。
A、B、C为接无刷电机的三根电源线，Udc为加在母线上的电压。通过以上的描述，我们可以得出：1.我们只能控制某相的电源线输出Udc电压或者输出0V，这是由电路结构决定的。2.在控制时，同一相的两个开关管不能同时打开，否则将会发生短路。例如SA1和SA2不能同时打开，否则电源上的电流将会直接接通到地上，发生“串洪”现象，烧掉驱动板。
如果我们想要一相输出Udc/2的电压，只需要在一个较短的时间内，一半的时间输出低电压，另一半的时间输出高电压。这样，在外部看来就可以等效为Udc/2，这种方法叫做PWM调制。
图中，T为PWM波的周。
