无处不在的无刷电机，你了解多少？

 

前面几期芝识课堂里，我们围绕东芝TX03系列MCU的基本情况和内核以及外围电路等细节进行了详细的介绍，接下来请随我们一起来学习电机控制的相关知识吧！在电机控制领域里，无刷电机是目前应用最为广泛的电机类型之一。现在，就请大家跟我们一起认识在生活中无处不在的无刷电机！

电机的历史始于19世纪初电磁现象的发现，并逐渐成为工业化时代最重要的电子系统之一。随着技术发展，工程技术人员们发明了许多类型的电机，包括直流（DC）电机、感应电机和同步电机。

作为永磁同步电机（PMSM）的一种，无刷电机历史悠久。但在最初时期，由于其启动和变速困难，除具有昂贵控制机构的工业应用外，一直未被广泛应用。然而近年来，随着强大的永磁体的改进以及人们节能意识的增强，无刷电机在各个领域都得到了飞速的发展。

直流有刷电机与无刷电机的区别

直流有刷电机（通常简称直流电机）具有可控性好、效率高、易小型化等特点，是最常用的电机类型。相比于直流有刷电机，无刷电机不需要电刷和换向器，因而其使用寿命长、易于维护、运行噪音低。此外，它不仅具有直流电机的高可控性，还拥有较高的结构自由度，易于嵌入设备中。得益于这些优势，无刷电机的应用逐渐扩展，目前其在工业设备、办公自动化设备和家用电器上都得到了广泛的应用。

图1 直流有刷电机和无刷电机的结构区别

直流无刷电机和永磁同步电机（PMSM）的结构基本相同。然而，直流无刷电动机既是一个电机家族（包括PMSM和步进电机），又是一个独立的电机类型。如下图所示，其可根据电机的旋转方式进行多种分类。

图2 直流无刷电机的分类

无刷电机的工作情况

无刷电机在工作时，首先将永磁体用作转子（旋转侧），线圈用作定子（固定侧）。然后外部逆变电路根据电机的旋转控制电流到线圈的切换，无刷电机与检测转子位置的逆变电路配合使用，并根据转子位置将电流引入线圈。

转子位置检测方法主要有三种：一是电流检测，电流检测是磁场定向控制的必要条件；二是霍尔传感器检测，利用三个霍尔传感器，通过转子的磁场检测转子位置；三是感应电压检测，通过转子旋转产生的感应电压变化来检测转子位置，这是无感电机的位置检测方法之一。

图3 直流无刷电机的工作流程

无刷电机有两种基本控制方法。此外，还有一些控制方法需要复杂的计算，如矢量控制和弱场控制。

 

方波驱动

根据转子的旋转角度，切换逆变电路功率元件的开关状态，然后改变定子线圈的电流方向，使转子旋转。

 

正弦波驱动

通过检测转子的旋转角度来旋转转子，在逆变电路中产生相移为120度的3相交流电，然后改变定子线圈的电流方向和大小。

图4 无刷直流电机驱动状态

直流无刷电机目前广泛应用在各个领域，包括家用电器、汽车电子、工业设备、办公自动化以及机器人和便携消费电子等，未来随着电机技术不断进步，直流无刷电机的应用还将具有更广阔的发展空间。

 

审核编辑：刘清