1、直流无刷电机介绍及原理
传统的电动机分成同步电动机(SM)、异步电动机(IM)和直流电动机(DCM)三大类。它们的基本特点和区别可以这样描述:
1) 同步电动机的转子转速由供电交流电源的频率决定， 增大负载时转子速度不变。或者说转子角速度与交流电源的角频率同步。
2) 异步电动机的转子转速也主要取决于供电交流电源的频率， 但转子角速度只有在理想空载情况下才与电源角频率同步， 实际上总小于同步角速度， 即有一定的转差， 且转差随负载增加而增大。
3) 直流电动机的转子转速取决于加在电枢上直流电压的值， 负载增大时，转速也随着下降。
异步电动机为鼠笼型结构， 没有电刷； 小容量同步电动机大部分为永磁转子结构， 也没有电刷； 传统的直流电动机则无一例外地都是有刷结构。因为电刷和换向器是直流电动机中将产生交流电势的电枢绕组与直流电源联接的枢纽， 是直流电动机构成的关键组成部分， 可以理解为将电枢绕组的交流电势整流成直流电势与电源相联， 也可以理解为将电源的直流电压逆变成多相交流电压与电枢绕组相联。可见， 对于传统的电动机， 同步和异步电动机——交流电动机基本上是无刷电动机， 而直流电动机则无例外地为有刷电动机。
近代新发展起来的 BLDCM(Brushless Direct Current Motor)是指没有电刷但具有DCM 特性的电动机。与传统的 DCM 相比， BLDCM 用电子换向取代 DCM 的机构换向， 取消了电刷和换向器； 并将原有 DCM 中的定转子颠倒,即电枢绕组在定子上， 与静止的电子换相电路联接方便， 励磁在转子上， 为永磁体， 不需要励磁绕组， 也更不需要向转子通电的滑环和电刷； 在 DCM 中， 换向器在转子上， 它能保证当电枢导体从一个定子磁极下转到另一个极下时其中的电流同步改变方向，BLDCM 电枢绕组中电流方向的改变由功率管的开关来控制， 为保证开关信号与转子磁极转过的位置同步， 需要有检测转子位置角的传感器。基本组成部分如图10-1 所示， 可以看出 BLDCM 是 1 台反装的 DCM ， 用电子换向， 作用原理基本不变， 基本特性自然就相一致。
BLDCM 的基本组成部分
无刷直流电机（Brushless Direct Current Motor，简称 BLDCM）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。无刷电机是指无电刷和换向器（或集电环）的电机，又称无换向器电机。这是模型中除了有刷电机以外用的最多的一种电机，无刷直流电机不使用机械的电刷装置，采用方波自控式永磁同步电机，与有刷电机相比，它将转子和定子交换，即无刷电机中使用电枢绕组作为定子，使用钕铁硼的永磁材料作为转子，以霍尔传感器取代碳刷换向器，性能上相较一般的传统直流电机有很大优势。具有高效率、低能耗、低噪音、超长寿命、高可靠性、可伺服控制、无级变频调速等优点，而缺点则是比有刷的贵、不好维护，广泛应用于航模、高速车模和船模。
直流无刷电机(Brushless Direct Current Motor，简称 BLDCM） 顾名思义没有了直流有刷电机中的电刷和换向器等结构，因此线圈绕组不参与旋转，而是作为定子，永磁体作为转子，所以需要通过控制线圈电流方向来改变磁场方向从而使转子持续旋转，同步进电机不同的是，无刷电机绕组通常是 3 组，并且只有 3 个引出接线端子，一般为星形接法， 3 组线圈的起始端通过电机内部连接到一起，剩余的一端引出作为电机的引线。由于无刷电机的换向需要根据转子位置确定，因此一般无刷电机有霍尔传感器，用于提供转子位置信息，当然也不是必需的，还可以通过无感的方式，用仅有的 3 根电机线来分析和确定转子的位置、转速等信息。
1、直流无刷电机与直流有刷电机的特点
可以从图 a 与图 b 中看出有刷电机与无刷电机之间最大的结构区别在于： 无刷电机没有电刷以及换向器； 并且无刷电机的线圈绕组不参与旋转，而是作为定子，永磁体作为转子， 与有刷电机是相反的结构。
无刷电机其性能相比于有刷电机有很大优势， 由于没有了碳刷结构， 所以干扰小、 噪音低、 运转流畅、 高速而且寿命更长。缺点就是控制较为复杂、 成本比有刷电机贵。在四轴飞行器，汽车，工业工控上的应用非常广泛。 下面我们总结了关于直流有刷电机以及无刷电机的特点，如下表：
不过，单个的无刷电机不是一套完整的动力系统，无刷电机基本必须通过无刷控制器才能实现连续不断的运转。普通的碳刷电机旋转的是绕组，而无刷电机不论是外转子结构还是内转子结构旋转的都是磁铁。
无刷电机的定子是产生旋转磁场的部分，能够支撑转子进行旋转，主要由硅钢片、漆包线、轴承、支撑件构成；而转子则是黏贴了钕铁硼磁铁、在定子旋转磁场的作用进行旋转的部件，主要由转轴、磁铁、支持件构成。除此之外，定子与转子组成的磁极对数还影响着电机的转速与扭力。
2、直流无刷电机的分类
无刷电机的分类方式有很多种，我们这里仅以驱动方式进行区分，如下图：
上图我们可以看到，现代电机与控制技术以电流驱动模式的不同将永磁无刷直流电机分为两大类，可以分为：方波驱动（无刷直流电机BLDC)以及正弦波驱动（永磁同步电机PMSM），其中方波驱动又分为：外转子式 BLDC、内转子式 BLDC；正弦波驱动分为：永磁同步电机（PMSM）。下面我们来看下这些电机的实物图：
图 21.1.2.2 的无刷电机为外置式转子，即磁体做成的转子在外侧，内侧的定子是缠绕漆包线的硅钢叠片，主要应用于四轴飞行器等。
图 21.1.2.3 的无刷电机类似步进电机的一种结构，即磁体转子在内侧，硅钢片定子在电机外侧。一般电机直径和长度越大，扭矩越大，有时还通过减速齿轮组来增大扭矩，在工业工控上的应用非常广泛。
图 21.1.2.4 为永磁同步电机（PMSM）该电机一般都配有高精度编码器， 优点显著，精度高，效率高，运行可靠，损耗小，在精度要求较高的场合被广泛应用。 适合高级控制方式——FOC。
3、BLDC 和 PMSM 的区别（方波和正弦波驱动）
BLDCM 的电子换向， 基本的方式与 DCM 中完全一致， 相绕组中的电流改变方向与绕组轴线所处磁极下位置极性改变同步， 称为方波驱动的 BLDCM， 相绕组基本上为方波。但是电子换向毕竟与机械换向不一样， 它具有更灵活的可控性，电子换向不仅可实现随磁极位置同步改变相绕组内电流的方向， 必要时还可以实现电流波形的控制， 例如让相绕组电流为正弦波形， 称为正弦波驱动的 BLDCM。尽管相绕组电流为正弦波形， 看起来与传统 DCM 有些不同， 可是这种带角位置传感器和电子换向电路的永磁电动机， 它的作用原理和基本特性仍与 DCM 相一致， 应归类为 BLDCM 。
在英美的文献中， 把这类正弦波驱动的 BLDCM 称为“永磁同步电动机(PMSM： Permanent-Magnet Synchronous Motors )” 或者“无刷交流电动机 (BLACM )” ，在日本和欧洲则大多数情况下称为“交流伺服电动机(AC servo)” ， 国内基本上也多数采用 AC servo 的名称。这些名称在工业和商业领域通用以后很难加以改变， 但是从学术的角度应作一些澄清, 否则会造成混淆。转子上没有位置传感器,或不通过位置讯号换向的永磁电动机， 才具有同步电动机的基本特性， 是名符其实的 PMSM。通过位置讯号进行电子换向的永磁电动机， 既使相绕组电流波形为正弦波与交流电动机一样， 但基本特性 DCM 相一致， 应归类为 DCM， 而不是 SM。把它称为 BLACM 就更不清楚了， 难道传统的 ACM 都有刷吗？ 传统的鼠笼型异步电动机和永磁电动机都是无刷结构， 都是 BLACM。通常所说的 AC servo， 如前所说， 它不是同步电动机的工作特性， 又不具备异步电动机的基本结构， 所以从本质上讲不是 1 台通常意义上的 AC 电动机， 只是从形式上看， 绕组电流为正弦波形， 与通常 ACM 的绕组电流情况相同， 实际上称作无刷直流伺服电动机(BLDCservo)较为恰当。
虽然上面这么解释，但是就目前国内类似，大家普遍这样称谓：
PMSM：永磁同步电机（正弦波驱动）
BLDC：直流无刷电机（方波驱动）
BLDC 与 PMSM 电机在控制方式、运行方式、绕组方式等等， 都有很大的区别，最主要的区别就是反电动势不同， BLDC 接近于方波， PMSM 接近于正弦波。
BLDC 和 PMSM 电机比较：
BLDC 和 PMSM 从最本质的区别就是定子线圈绕组的绕线方法不同。
BLDC 驱动相对简单， PMSM 电机驱动需要复杂的算法FOC 支持。
4、直流无刷电机几个重要参数
（1）额定电压
无刷电机适合的工作电压，其实无刷电机适合的工作电压非常广，额定电压是指定了负载条件而得出的情况。例如说， 2212-850KV 电机指定了 1045 螺旋桨的负载，其额定工作电压就是 11V。如果减小负载，例如带 7040 螺旋桨，那这个电机完全可以工作在 22V 电压下。但是这个工作电压也不是无限上升的，主要受制于电子控制器支持的最高频率。所以说，额定工作是由工作环境决定的。
（2）KV 值
有刷直流电机是根据额定工作电压来标注额定转速的，无刷电机引入了 KV 值的概念，而让用户可以直观的知道无刷电机在具体的工作电压下的具体转速。实际转速 =KV 值 * 工作电压，这就是 KV 的物理意义，就是在 1V 工作电压下每分钟的转速。无刷直流电机的转速与电压呈正比关系，电机的转速会随着电压上升而线性上升。例如， 2212-850KV 电机在 10V 电压下的转速就是:850*10=8500RPM(RPM，每分钟转速)。 KV 值与匝数是呈反比例关系的，例如 2212-850KV，匝数是 30T(15 圈)，那在 28T 的情况下的 KV 值是:850KV*30T/28T=910KV。
（3）转矩与转速
转矩:(力矩、扭矩）电机中转子产生的可以用来带动机械负载的驱动力矩，我们可以理解为电机的力量。
转速: 电机每分钟的转速。
电机的转矩和转速在同一个电机内永远是一个此消彼长的关系，基本可以认为转矩和转速的乘积是一个定数，即同一个电机的转速越高，必定其转矩越低，相反也依然。不可能要求个电机的转速也更高，转矩也更高，这个规律通用于所有电机。例如:2212-850KV 电机，在 11V 的情况下可以带动 1045 桨，如果将电压上升一倍，其转速也提高一倍，如果此时负载仍然是 1045 桨，那该电机将很快因为电流和温度的急剧上升而烧毁。
（4）最大电流和最大功率
最大电流: 电机能够承受并安全工作的最大电流
每个电机都有自己的力量上限，最大功率就是这个上限，如果工作情况超过了这个最大功率，就会导致电机高温烧毁。
（5）槽极结构（N：槽数， P：极数）
铁芯极数（槽数)∶ 定子硅钢片的槽数量
磁钢极数（极数)∶ 转子上磁钢的数量
模型常见的内转子无刷电机结构有: 3N2P(有感电机常用)、 12N4P(大部分内转子电机)
模型常见的外转子无刷电机结构有:9N6P、 9N12P、 12N8P、 12N10P、 12N14P、 18N16P、 24N20P。
模型用内转子无刷电机极数不高的原因: 目前内转子电机多用于减速使用，所以要求的转速都比较高。电子转速 = 实际转速 * 电机极对数，电子控制器支持的最高电子转速往往都是一个定数，所以如果电机极对数太高的话，支持的最高电机转速就会下降，所以目前的内转子电机极数都是4 以内。
（6）其他设计驱动需要的参数
定子电感：电动机静止时的定子绕组两端的电感。
定子电阻：在 20℃ 下电动机每相绕组的直流电阻。
反电动势系数：在规定条件下，电动机绕组开路时，单位转速在电枢绕组中所产生的线感应电动势值。
5、直流无刷电机工作原理
在学习工作原理前我们先来学习一下安培定则，安培定则，也叫右手螺旋定则，是表示电流和电流激发磁场的磁感线方向间关系的定则。
通电直导线中的安培定则（安培定则一）：用右手握住通电直导线，让大拇指指向电流的方向，那么四指指向就是磁感线的环绕方向；
通电螺线管中的安培定则（安培定则二）：用右手握住通电螺线管，让四指指向电流的方向，那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的 N 极，如下图所示。
通电导体产生磁场，特别的，通电线圈的磁场和磁体类似
磁体异性相吸、 同性相斥，通电线圈和永磁体之间同样存在这样的现象
我们知道在磁极中同名相吸，异名相斥，及 N 极与 S 极相互吸引， N 极与 N 极和 S 极与 S 极相互排斥，下面我们来看看一个直流模型，如下图所示。
当两边的线圈通上电后，由右手螺旋定则可知两个线圈中将会产生方向向右的磁场，而中间的转子会尽量使自己内部的磁感线方向与外磁感线方向保持一致，以形成一个最短闭合磁力线回路，N 极与 S 极相互吸引，这样内转子就会按顺时针方向旋转了。当转子旋转到如图所示的水平位置时转子将不会受到作用力。
但是由于惯性的作用转子将会继续旋转，当转子旋转至水平位置时，交换两个线圈中的电流方向，这时转子就会继续向顺时针方向转动了。当转子再次旋转至水平位置时，再次交换两个线圈中的电流方向，这样转子就可以一直旋转了。
无刷电机的工作原理：
无刷直流电机利用了通电线圈和永磁体的相互作用原理， BLDC 内部结构实物图见下图：
BLDC 内部实物结构图
根据实物图，我们可以画出无刷直流电机的逻辑结构， 见下图：
BLDC 逻辑结构
为简化分析，可以做成直流无刷电机的简化逻辑结构， 见下图：
简化逻辑结构
这样， 通电的线圈会产生各自的磁场，他们的合成磁场满足矢量合成的原则，见下图：
在 A 端上电源正极，在 B 端接电源负极，那么可以在线圈 A 和 B 中可以产生如上图所示的磁场，因为磁场强度是矢量，所以由磁场 BB 和 BA 可以得到合成磁场 B。此时转子就会保持在图中方向。
有了上面的基础，我们再来看下面的“三相星形联结的二二导通方式”。
电机正转：
想要转子转动就需要接入不同的电压，我们来分析一下图中的 6 个过程。
1）. 在 A 端接入正电压， B 端接入负电压， C 端悬空，转子将会旋转至图中 1 的位置。
2）. 在 1 的基础上， C 端接入正电压， B 端接入负电压， A 端悬空，转子将会从 1 的位置旋转至图中 2 的位置。
3）. 在 2 的基础上， C 端接入正电压， A 端接入负电压， B 端悬空，转子将会从 2 的位置旋转至图中 3 的位置。
4）. 在 3 的基础上， B 端接入正电压， A 端接入负电压， C 端悬空，转子将会从 3 的位置旋转至图中 4 的位置。
5）. 在 4 的基础上， B 端接入正电压， C 端接入负电压， A 端悬空，转子将会从 4 的位置旋转至图中 5 的位置。
6）. 在 5 的基础上， A 端接入正电压， C 端接入负电压， B 端悬空，转子将会从 5 的位置旋转至图中 6 的位置。
当转子旋转到位置 6 时，在重复 1 的供电状态，转子将会从 6 的位置旋转到 1 的位置。在经过上面的 6 个过程后转子正好转了一圈，我们将这种驱动方法称为 6 拍工作方式，每次电压的变化称为换相。想要电机持续的旋转我们只要按上面转子相应的位置接入相应的电压即可。
电机反转：
1） 为 A 接 24V、 B 悬空、 C 接 GND，此时对应图 10-8 中的1， 电机转轴被固定在一个位置；
2） 在1） 的基础上，我们修改接线方式， 为 A 接 24V、 B 接 GND、 C 悬空，此时对应图 10-8 中的2， 电机转轴就在1） 基础上旋转一个角度，达到另外一个位置；
3） 在2） 的基础上，我们修改接线方式， 为 A 悬空、 B 接 GND、 C 接 24V，此时对应图 10-8 中的3， 电机转轴就在2） 基础上旋转一个角度，达到另外一个位置；
4） 在3） 的基础上，我们修改接线方式， 为 A 接 GND、 B 悬空、 C 接 24V，此时对应图 10-8 中的4， 电机转轴就在3） 基础上旋转一个角度，达到另外一个位置；
5） 在4） 的基础上，我们修改接线方式， 为 A 接 GND、 B 接 24V、 C 悬空，此时对应图 10-8 中的5， 电机转轴就在4） 基础上旋转一个角度，达到另外一个位置；
6） 在5） 的基础上，我们修改接线方式， 为 A 悬空、 B 接 24V、 C 接 GND，此时对应图 10-8 中的6， 电机转轴就在6） 基础上旋转一个角度，达到另外一个位置。
6、转子的位置获取
BLDC 驱动还需要一个非常重要的参数， 只有知道了这个参数信息我们才有可能正常的控制 BLDC 旋转，这个重要参数就是转子的位置信息，只有知道了当前转子所处位置，我们才能很好的控制电机旋转，如果毫无目的根据上图中顺序为绕组给电，最终只能看到电机乱转。
转子的位置信息一般可以为 2 种方法取得，一种是有霍尔传感器模式，另外一种是无传感器模式。
（1）霍尔传感器模式
我们虽然已经知道了控制转子的六个节拍的方法。但是你有没有发现一个新的问题：如果不知道转子的位置，就不知道何时该驱动哪个绕组？所以驱动无刷电机的前提是我们必须要知道转子的当前位置，只有知道了当前转子所处位置，我们才能很好的控制电机旋转！
无刷电机依靠传感器提供转子位置信息进行驱动的方式我们称之为有感驱动方式，既然有有感驱动，那么是不是也同样存在无感驱动？是的， 转子的位置信息一般可以为 2 种方法取得，一种是有霍尔传感器模式，另外一种是无传感器模式。在无感驱动章节会重点介绍，这里先从有感驱动开始。
无刷电机的传感器一般为霍尔传感器，根据霍尔器件可检测磁场的变化的特性再搭配一定的电路将磁场方向变化信号转化成不同的高低电平信号输出，具体看https://www.cnblogs.com/The-explosion/p/18817861
霍尔传感器介绍：霍尔传感器 - 孤情剑客 - 博客园
无刷电机、霍尔传感器、电机驱动电路和控制器组成的系统见图下图：
（2）无传感器模式
无传感器模式需要外部复杂的采样、处理等电路支持，我们这里只介绍驱动原理，并且无传感器模式虽然可以减少成本，但是在电机启动阶段和稳定性方面等问题还是让它只能用于特殊情况，对于高要求的工业应用环境，更多的还是使用有霍尔传感器模式驱动。
介绍无传感器模式驱动之前，我们还需要了解一个概念： 反电动势。 BLDC 电机转动时，每个绕组都会产生叫做反电动势的电压，根据楞次定律，其方向与提供给绕组的主电压相反。 这一反电动势的极性与励磁电压相反。反电动势主要取决于三个因素：
转子角速度
转子磁体产生的磁场
定子绕组的匝数
电机设计完毕后，转子磁场和定子绕组的匝数都是固定不变的。 如果避免了定子的磁饱和，或者忽略磁场与温度的相关性（即 B 为常数），则唯一决定反电动势的因素就是角速度，或者说转子的转速，随着转子转速的提高，反电动势也随之增加。电机设计规范提供了一个称为反电动势常数（单位： V/RPM）的参数，可用来估计给定转速下的反电动势的大小。
绕组两端的压降可通过从供电电压中减去反电动势值算出。使得反电动势常数设计电机的方法如下：当电机以额定转速运行时，反电动势和供电电压间的电势差足以使电机消耗额定电流，提供额定转矩。如果电机转速超过额定转速，反电动势会显著增长，从而降低绕组两端的压降，减小电流，从而导致转矩曲线下降。转速曲线上最后一点表示供电电压等于反电动势与电机中压降损耗之和，此时电流和转矩都等于 0。
前面我们已经介绍了使用霍尔传感器获取转子位置进行换向， BLDC 电机还可以通过监视反电动势信号，而不是霍尔传感器信号来换向， 霍尔传感器信号和反电动势之间的关系（相对于相电压） 如图 10-17 所示。每次换向，三个绕组都是其中一个绕组得到正电压，一个得到负电压，另外一个处于悬空状态， 由此我们可以知道，霍尔传感器信号会在反电动势的电压极性从正变为负或者从负变为正时候改变状态。在理想状态下，这应在反电动势穿过零值时发生， 但实际上由于绕组特性，会有延时。该延时应由微控制器来补偿。
需要考虑的另一个问题就是电机转速很慢的时候， 由于反电动势与转子转速成正比，在转速很慢的时候反电动势的幅值非常低， 此时就非常难检测到过零点。所以， 当电机从静止状态起动是必须采用开环控制，等电机有一定转速了，就可以检测过零点了，从而转进入采用反电动势检测控制。 可检测到反电动势的最低转速可通过该电机的反电动势常数算出。
通过检测不通电相绕组上的 BEMF 电压可以确定电机驱动电压的换相时间。然而，无传感器控制也有一些缺点：
由于 BEMF 足够大时才能被检测到，因此电机必须运行在最低转速以上；
电机负载突变可能引起 BEMF 驱动环失锁；
如果低成本是应用中关注的主要问题，且无需电机在低速下运行，以及预料电机负载不会发生快速地变化，那么在这种情况下，无传感器梯形波控制就可能是应用中的较好选择。
根据之前的分析，无传感器模式下的电机控制系统框图见图 10-18。
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