在当今的工业自动化、家电以及汽车等众多领域中，无刷直流电机（Brushless DC Motor，简称 BLDC 电机）凭借其高效率、高可靠性和低噪音等显著优势，得到了极为广泛的应用。掌握 BLDC 电机的控制原理，是实现自动化控制的一项基本且关键的技能。本文将深入介绍 BLDC 电机控制的实现原理，同时阐述三类直流电机的工作方式以及控制特点。
无刷直流电机，即 BLDC 电机，相较于传统的有刷直流电机，具有诸多突出优势。它的效率更高，并且所需的维护工作更少，正因如此，在众多应用场景中，BLDC 电机已经逐渐取代了有刷电机。尽管这两类电机的运行原理在本质上相似，都是依靠永磁体和电磁体之间的磁极吸引与排斥作用来产生旋转运动，但它们的控制方式却存在着巨大的差异。BLDC 电机需要一套复杂的控制器，才能将单个直流电源转换为三相电压；而有刷电机则可以通过简单地调节直流电压来实现控制。
图 1：有刷直流电机和无刷直流电机的比较
有刷直流电机：在有刷直流电机中，直流电流通过转子的线圈绕组，使电磁体产生极性。这些转子的磁极与固定永磁体（即定子）的磁极相互作用，从而驱动转子旋转。
图 2：有刷直流电机工作原理无刷直流电机（BLDC）：BLDC 电机采用电子换相技术来替代传统的机械换相，成功克服了有刷电机存在的一系列缺陷。为了更深入地理解 BLDC 电机的工作原理，我们有必要详细了解其结构。与有刷电机的构造相反，BLDC 电机的永磁体安装在转子中，而线圈绕组则作为定子。电机的磁体布局具有多样性，定子可能拥有不同数量的绕组，转子也可能具备多个极对。
图 3：无刷直流电机结构
无刷直流电机的电势特点为梯形反电动势，通常采用梯形换相控制。
图 4：无刷直流电机的电势
- 永磁同步电机 (PMSM)：PMSM 和 BLDC 的结构较为相似，它们的永磁体都位于转子上，并且都被归类为同步电机。在同步电机中，转子的旋转与定子磁场保持同步，即转子的旋转速度与定子磁场的旋转速度相同。它们的主要区别在于反电动势（反 EMF）的形状。当电机旋转时，会充当发电机的角色，在定子中产生感应电压，该电压与电机的驱动电压方向相反。反电动势是电机的一个重要特性，因为其形状决定了对电机进行控制所需的算法。PMSM 的电势特点为正弦反电动势，通常采用磁场定向控制。
图 5：永磁同步电机的电势
与采用机械换相的 “有刷” 电机相比，采用电子换相的 “无刷” 电机一直以来都因其更高的电效率和转矩重量比而备受青睐。无刷直流 (BLDC) 电机和永磁同步电机 (PMSM) 在控制方式上存在一定的差异。永磁同步电机 (PMSM) 采用分布式定子绕组，呈现正弦反电动势，并且只使用磁场定向控制；而无刷直流 (BLDC) 电机采用集中式绕组，其反电动势呈现梯形，既可以选择使用磁场定向控制，也可以采用其他控制方式。
图 6：BLDC 电机和 PMSM 控制方式差异
无刷直流电机通常采用梯形控制方法，但在某些情况下也会使用磁场定向控制。梯形 BLDC 电机控制是一种相对简单的控制方法，通过这种方法，仅为两相供电。转矩控制仅需要一个 PID 控制器，而且与磁场定向控制不同的是，它无需使用帕克变换和克拉克变换进行坐标变换。
图 7：梯形控制方法
为了更好地理解施加外部电压时 BLDC 电机的运行行为，我们以一种特定的配置为例进行说明。在该配置中，转子由单极对组成，定子由夹角为 120 度的三个线圈组成。当电流通过线圈时，给线圈（分别称为 A 相、B 相和 C 相）通电。转子的北极用红色表示，南极用蓝色表示。初始状态下，线圈未通电，转子处于静止状态。当在 A 相与 C 相之间施加电压时，会沿虚线产生复合磁场，这将使转子开始旋转，从而与定子磁场对齐。
图 8：六步换相原理
线圈对共有六种通电方法。每次换相后，定子磁场会相应旋转，从而带动转子旋转至特定位置。在下面的动画中，转子角度是相对于水平轴而言的，转子共有六种对齐方式，两两之间相差 60 度。也就是说，如果每 60 度以正确的相位执行换相，电机将能够连续旋转，这种控制方式被称为六步换相或梯形控制。
需要注意的是，此类电机可以包含更多极对，但这就要求更为频繁地进行换相。为了在合适的时机以正确的相位执行电机换相，控制器需要时刻准确掌握转子的位置，通常会使用霍尔传感器来进行测量。
图 9：六步换相过程
将鼠标悬停在动画上，可以观察到两极之间的相互作用。箭头表示相对磁力，箭头粗细表示场强。相同磁极相互排斥，使转子逆时针旋转；相反磁极相互吸引，在同一方向上增加扭矩。
图 10：磁极相互作用
将先前讨论的定子磁场叠加到动画中，可以明显看出，在这种换相方式中，转子并不会与定子磁场完全对齐（图中的黄色虚线），而是始终处于追赶定子磁场的状态。在 BLDC 电机中采用这种换相方式主要有两个原因。其一，如果允许转子和定子磁场完全对齐，此时产生的扭矩将为零，不利于电机的旋转；其二，当磁场夹角为 90 度时，可产生扭矩。因此，控制的目标是使该夹角接近 90 度。
然而，在 BLDC 电机中，采用六步换相无法使夹角始终保持 90 度，夹角将在 60 度和 120 度之间波动。这是由于梯形控制的性质相对简单。相比之下，磁场定向控制等更先进的方法可以实现定子与转子磁场间 90 度的夹角，从而产生更大的扭矩，这种方法常用于之前提到的 PMSM 控制。
图 11：磁场夹角变化
为了在六步换相过程中对相位进行有效控制，可以使用三相逆变器将直流电引导到三个相，从而在正（红）负（蓝）电流之间进行切换。当需要向其中一个相供应正电流时，需要打开连接到该相的高端开关；若要供应负电流，则需要打开低端开关。
图 12：三相逆变器工作原理
当转子与定子磁场夹角在 60 至 120 度之间时，按照上述模式操作，三相逆变器可以使电机保持匀速旋转。如果要改变电机的速度，可以通过调节施加的电压来实现。若要在不改变电源电压的前提下控制电机速度，则可以采用脉宽调制 (PWM) 技术。
