導讀電機將供應的電能轉換為機械能。常用的電機類型很多，其中，無刷直流電機(BLDC)因為高效率及優異的可控性，而廣泛用于各種應用中。相對于其他類型的電機，BLD....

電機將供應的電能轉換為機械能。常用的電機類型很多，其中，無刷直流電機(BLDC)因為高效率及優異的可控性，而廣泛用于各種應用中。相對于其他類型的電機，BLDC電機具有省電的優勢。

當工程師面臨設計電氣設備以執行機械工作的挑戰時，可能會思考如何將電信號轉換為動能。而驅動器及電機就是能將電信號轉換為運動的裝置，使加諸于電機上的電能轉換為機械能。

常見的電機類型

有刷電機工作示意圖

電機類型以電源類型（交流或直流）及其產生旋轉的方法（如上圖所示）而有所不同。以下將簡要說明各類電機的特性及用途。

有刷直流電機是最簡單的一種電機。在這種電機中，電流通過放置在固定磁場內的線圈時，于線圈周圍產生磁場，由于每個線圈都被固定磁場的同性磁極推開并受到異性磁極的吸引，使線圈組件旋轉。為保持旋轉狀態，必須使電流不斷的反向，讓線圈的極性連續翻轉，使線圈不斷「追逐」異性的固定磁極。藉由使固定的導電刷與旋轉的換向器(commutator)接觸，供電給線圈，而換向器的旋轉造成了通過線圈的反向電流。換向器及電刷是區別有刷直流電機與其他種類電機的關鍵元件。

有刷直流電機設計簡單且容易控制，廣泛用于打開與閉合光碟托盤。在汽車中，經常用以降下、升起及定位電動車窗。這些電機成本低，故適合許多應用。但缺點是電刷及換向器因為持續接觸而容易較快磨耗，需要頻繁更換及定期維護。

步進電機由脈沖驅動，隨著每一個脈沖旋轉至特定的角度（步進）。由于以接收到的脈沖數量準確地控制旋轉，這些電機廣泛用于位置調整。舉例來說，其經常用于傳真機和印表機的進紙控制，因為這些裝置按照固定的段數進紙，能輕松地關聯至脈沖計數。而由于電機會在脈沖訊號中斷后立即停止旋轉，故亦能輕松進行暫停控制。

由于同步電機的旋轉頻率與供應的電流頻率相同。這類電機經常用于驅動微波爐內的轉盤，利用電機單元中的減速機取得適當的轉速來加熱食物。然而感應電機的轉速亦會隨頻率而改變，但并非同步移動。這種電機過去經常用于電風扇和洗衣機內。

還有許多常用的電機類型。

直流無刷電機（簡稱為 BLDC 電機）——雖然掛著“直流”的名號——實際上是一種三相電流同步電機：轉子跟隨旋轉磁場運轉，其運動與施加在繞組上的交流電壓同步。 這種電機類型之所以通常被稱為“無刷直流電機”是因為，在許多應用中，該電機可以替換有刷直流電機（有刷直流或換向器式電機）。在有刷直流電機中，施加直流電壓后，電機中的機械逆變器（電刷）會產生與轉速無關的交流電。

配合電子驅動控制器（取代電刷的功能并將饋入的直流電轉換為交流電），BLDC 電機可以實現與有刷直流電機相當的性能，而無需使用壽命有限的電刷。 因此，BLDC 電機也被稱為 EC（電子換向）電機，以便與包含電刷的機械換向電機進行區分。

另外一個經常使用的術語是 PMSM，其中文全稱是“永久磁鐵型同步電機”。這里的“永久磁鐵”用于與其他同步電機進行區分：其他同步電機依靠轉子上的勵磁繞組運轉，而 BLDC 則處于永久勵磁狀態。換而言之，即使不給定子通電，電機轉子也會通過永久磁鐵產生磁場。

為了用于區分帶有正弦感應電壓（反電動勢）的 PMSM 電機和帶梯形感應電壓的 BLDC 電機（見下文），PMSM 和 BLDC 這兩個術語通常會并列出現。現在的大多數 BLDC 電機都具有正弦反電動勢。

無刷電機的結構/類型

大部分 BLDC 電機是“內轉子電機”，其定子帶有線圈，固定不動；中間的轉子則在轉軸上永久磁鐵的作用下旋轉。而在“外轉子電機”中，定子位于內側，轉子包括一個在外部旋轉的鐘形外殼，磁體安裝在該外殼上。

內轉子電機的優勢在于轉子的轉動慣量低，散熱非常快。相反，在外轉子電機中，由于存在轉子外殼和磁體，發熱線圈與環境隔絕，散熱相對較慢。由于轉子的轉動慣量轉矩很大且很難控制轉子外殼的平衡，所以外轉子電機不適用于旋轉速度很高的模式。

因此，內轉子電機在大多數工業應用中廣泛使用。外轉子電機在大批量生產應用中具有較大優勢，因為這種模式可以降低生產成本。外轉子電機也可以擁有更短的結構并通常具備更小的齒槽轉矩，而由于在相同的磁力下，它的轉子直徑更大，因此其轉矩也更大。

這兩種電機通常都設計成三相電機。不過，也有使用單相或兩相的設計。在下文中，將只研究三相 BLDC 電機，因為 Nanotec 只生產三相電機產品。

內轉子電機和外轉子電機均使用齒槽繞組，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。

對非常小的電機來說，內轉子中一種非常重要的特殊設計形式就是無齒槽 BLDC 電機。它們的定子僅由環狀金屬片構成，內部附著一個粘連或封裝的扁平繞組。因為沒有鐵芯，電機的電感非常低，而且繞組的電流增長非常快。此外，鐵損大幅減少，所以電機具有更高的效率等級。在慢速運行中，缺少轉矩波動可以帶來正面效應。與標準 BLDC 電機不同，極靴的磁場沒有增強，因此沒有齒槽轉矩。這種設計類型對直徑小于 40 mm 的電機來說非常重要，因為其功率密度相比有齒槽電機大幅提升。這是由于，因為生產關系，有齒槽電機中繞組之間有很大部分的定子都是空的。而在無齒槽電機中，這個安裝空間可以完全填滿銅繞組。電機的直徑越小，無齒槽電機展現出來的優勢就越大。

內轉子電機

外轉子電機

無齒槽-BLDC-電機

BLDC電機是如何驅動的？

顧名思義，無刷直流電機不使用電刷。若為有刷電機，電刷透過換向器將電流送入轉子上的線圈內。那么無刷電機如何將電流傳遞至轉子線圈？不需要，因為線圈不在轉子上。相反的，轉子是一個永久磁鐵，線圈不會旋轉，而是固定在定子上。因為線圈固定不動，故不需要電刷及換向器。

有刷電機是藉由控制轉子上線圈產生的磁場進行旋轉，但靜止磁鐵產生的磁場是固定不變。如欲改變轉速，需改變線圈的電壓。若為BLDC電機，是永久磁鐵在旋轉，藉由改變周圍固定線圈產生的磁場方向，使其旋轉。如欲控制旋轉，需調整進入線圈的電流大小及方向。

BLDC電機的優點

在定子上有三個線圈的BLDC電機，會有六條從這些線圈延伸出的電線（每個線圈兩條）。大部分的使用方式為將其中三條導線在內部連接，而另外三條導線則從電機本體拉出（不像前述有兩條導線從有刷電機拉出）。在BLDC電機殼體內接線比單純連接電池的正極和負極要復雜，將于本系列第二節中詳細說明此等電機的工作原理。以下將說明BLDC電機的優點并進行總結。

效率是其中的一大優勢，因為這些電機可持續控制在最大旋轉力（扭力）上。相反的，有刷電機旋轉時只有在特定位置才能達到最大扭力。有刷電機若要能提供與無刷電機相同的扭力，必須使用更大的磁鐵，這就是即使小型BLDC電機仍能提供大功率的原因。

與第一項有關的第二項優勢在于可控性。利用反饋機制，可控制BLDC電機精準地提供所需要的扭力及轉速。另一方面，精準控制可降低能耗及溫升，若電機由電池供電，則可延長電池壽命。

而且因為沒有電刷，BLDC電機還具備高耐用性且產生的電氣雜訊(electric noise)極低。若為有刷電機，電刷及換向器會因為持續移動接觸而磨耗，并在接觸時產生火花。其中，電氣雜訊就是電刷通過換向器間隙時容易發生之強烈火花的結果。這也是在必須避免電氣雜訊的應用中，經常優先選用BLDC電機的原因。

BLDC電機理想的應用場合

我們已經知道BLDC電機能提供高效率、可控性，而且具有較長的使用壽命。那有什么應用較為合適呢？因為高效率且長壽，使其廣泛用于連續運轉的裝置中。像是洗衣機、空調及其他消費性電子產品，因其高效率有助于大幅降低功耗，近年來也用在風扇上，吸塵器的驅動也是用BLDC電機來達成。只需要變更控制的方法，即可大幅提高電機的轉速，這是BLDC電機絕佳可控性的一個實例。

BLDC電機也用于硬碟的驅動，在此情況下，其耐用性使硬碟機能長時間可靠運作，同時其能源轉換效率亦有助于在降低，在能耗變得日益重要的領域中達成此目標。

未來的應用更寬廣

我們預期未來將可看到更多BLDC電機的應用。例如：可能將廣泛地用于驅動服務型機器人，即在制造領域之外提供服務的機器人。有些人可能認為步進電機較適合此等應用，因為能利用脈沖精準地控制位置。但BLDC更適合用以控制力道。使用步進電機，若要使機械手臂固定在定點位置上，通常需要較大且連續的電流來維持。

若使用BLDC電機，所需要的不過是與外力成比例的電流，進而進行更高能源轉換效率的控制。 BLDC電機亦可取代高爾夫球車及代步車內的有刷直流電機。除更高的效率外，BLDC電機亦能實現更精準的控制，因而進一步延長電池壽命。

BLDC電機也非常適合無人機的應用。精準控制的能力使其特別適合多旋翼無人機，因為必須藉由精準控制每個旋翼的轉速，才能控制無人機的姿態。

BLDC直流無刷電機的控制

連接更為復雜

直流無刷電機的內部及外側

轉子為永久磁鐵，不會有電流通過。不需要碳刷及整流子，因此使用壽命更長。

上圖所示為一種典型的直流無刷電機──內轉子型的外觀及內部結構。應注意的是此電機的永久磁鐵安裝在轉子上，而線圈位于外側。這與線圈在轉子上而永久磁鐵在外側的典型有刷直流電機完全不同。由于直流無刷電機的轉子不使用線圈，故不需為其提供電流，這也是沒有碳刷的原因。

直流無刷電機比有刷電機更難驅動。若為有刷電機，只需將電源連接至電機的正負極導線即可。但直流無刷電機的導線數量與有刷電機不同，連接較為復雜。

控制磁場

圖2-A：直流無刷電機旋轉原理

典型配置：三個間隔120o的線圈。藉由控制相位及線圈電流驅動。

欲使直流無刷電機旋轉，需要知道電流進入線圈的方向及時機。圖2(a) 說明直流無刷電機的定子(線圈)及轉子(永久磁鐵)。我們將利用此圖說明如何使轉子旋轉。在此例中將使用三個線圈，但實務上較普遍的做法為使用六個或更多線圈。但在此僅使用三個間隔120o的線圈。如上一節所述，電機負責將電能轉換為機械能。那么圖示中的電機是怎么做到的？我們來看看內部的情況。

在我們的范例中展示一個三線圈繞阻的三相電機。分別將線圈標示為U、V及W。記住，電流通過線圈會產生磁場。由于有三個線圈，故有三條可通過電流的路徑，分別稱為U相(電流進入U線圈)、V相(進入V線圈)及W相。先來看U相。若電流只通過U相，則產生的磁通量如圖2(b)箭頭所示。實際上，所有三個線圈是透過來自各線圈的一條導線相連，并且不可能單獨產生U相。圖2(c)顯示電流通過U及W線圈(相位「U及W」)時的情況，同樣以箭頭表示各線圈產生的磁通量。圖2(d)中的寬箭頭為合成通量，即結合U與W磁場合成后的結果。此大的磁通量將導致內部轉子旋轉，直到轉子永久磁鐵的S和N極與此箭頭對齊(N極最接近箭頭尖端)。

圖2-B：直流無刷電機旋轉原理

電流先通過U再通過W。箭頭顯示線圈U產生的磁通量。

圖2-C：直流無刷電機旋轉原理

電流通過U及W。兩個箭頭分別表示線圈U及W產生的磁通量。

圖2-D：直流無刷電機旋轉原理

寬箭頭表示合成磁通量──U及W產生的磁通量之和。

藉由持續切換磁通量使永久磁鐵不斷追逐線圈產生的旋轉磁場，維持旋轉。換句話說，必須連續切換使U、V及W通電，保持合成磁通量移動，才能產生能持續拉動轉子磁鐵的旋轉磁場。

圖3顯示通電相位與磁通量之間的關系。如圖所示，依序從模式1切換至模式6將使轉子以順時針旋轉一圈。可藉由控制相位變化的速度控制轉速。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拉動轉子磁鐵，使轉子以同樣的速度旋轉。

正弦控制提供平順的旋轉

利用120度方波控制，只有六個合成磁通量方向用以驅動電機。舉例來說，從模式1切換至模式2(參見圖3)使合成磁通量方向移動60o，進而拉動轉子。從模式2切換至模式3使磁通量方向再移動60o，并再次拉動轉子。重復此過程以驅動直流無刷電機，但這樣的驅動方式則會產生對應的轉矩漣波。在部分情況下，此漣波會造成不必要的振動與機械噪音。

替代120度方波控制的方法，是利用正弦控制實現更平順且更安靜的操作。若是120度方波控制，連續循環通過六個固定的合成通量(如圖2(c)所示)會產生同樣大小的磁通量。但藉由更謹慎的控制進入U、V及W的電流，可在各線圈產生不同的磁通量大小，能更準確的改變合成磁通量。 (參見圖4。)

藉由精確調整進入三相中各相的電流，即能達到更連續的合成磁通量變化，進而使電機旋轉更平順。

圖4：正弦控制

藉由控制進入所有三相的電流，即能比120度方波控制達到更精準控制合成磁通量的大小及方向，以實現更平順的旋轉磁場。合成磁通量不再限于六個不連續的方向。

以變??頻器控制

讓我們再次檢視進入U、V及W之電流的性質。為求簡單，僅以120度方波控制說明運作原理。回到圖3，可看到在模式1中電流從U進入W，在模式2中從U進入V。如圖中箭頭所示，每次通電線圈組合的變化都會導致磁通量方向相應改變。

現在來看模式4。此時電流從W進入V，剛好與模式1相反。若為有刷直流電機，則可藉由碳刷與整流子達到此等電流反轉。按照定義，直流無刷電機無法使用碳刷或其他機械接觸實現此等反轉。相反的，一般是使用變頻器電路進行此控制。

而且使用變頻器電路亦可調整進入各線圈的電壓，因此還能控制電流的大小。調整電壓的典型方式為透過脈沖寬度調變(PWM)。在此方式中，藉由延長或縮短脈沖導通(ON)時間(亦稱為「責任周期」：導通時間以導通(ON)＋斷開(OFF)切換間隔比率表示)改變電壓。增加責任周期具有與提高電壓相同的效果，減少責任周期則具有與降低電流相同的效果。 (參見圖5。)

可使用配有備專門硬體的MPU實現PWM輸出。 120度方波控制僅需要控制兩相電壓，在軟體中即可相對容易的實現；但正弦控制是使用三相電壓控制，控制上較為復雜。因此，需要適當的變頻器電路以驅動直流無刷電機。應注意，變頻器亦可與交流電機搭配使用。但在消費性電子產品中使用的「變頻器類型」一詞，通常是指直流無刷電機。

圖5：PWM輸出vs.輸出電壓

改變責任周期(各切換周期內的接通時間)會改變有效電壓。

直流無刷電機及位置感測器

如前所述，藉由持續改線圈產生之磁通量的方向性，驅動直流無刷電機。轉子上的永久磁鐵以相同的速度不斷追逐移動的旋轉磁場，造成轉子旋轉。

但到目前為止都還沒提到控制這些電機另一個重要因子：位置。由于直流無刷電機控制必須與轉子(磁鐵)位置協調，因此這些電機一般都會帶有包含偵測位置的位置感測器。在不知道轉子位置的情況下施加電流，可能會導致轉子旋轉方向錯誤。使用位置感測器即可防止此等問題。

表1顯示這些電機中常用的位置感測器類型。不同的控制方法使用不同的感測器類型。訊號輸入間隔60o的霍爾元件(Hall elements)最適合采用120度方波控制的電機，在此情況下唯一要做的就是決定通電的相位。更精準的感測器，例如解角器(resolvers)及光學編碼器，更適合采用向量控制(說明如下)、更精細的控制電機內的磁通量。

雖然感測器具有明顯優勢，但亦有其缺點。有些感測器對灰塵的耐受性非常低，而且需要定期維護。有些只能在有限的溫度范圍內正常運作。使用感測器及建置所有伴隨電路會增加制造成本，而高精度感測器當然也最昂貴。目前市面上的「無感測器直流無刷電機」完全不需使用感測器，是降低零件及維護成本的一種方式。但本節旨在說明操作原理，故假設使用感測器以追蹤轉子位置。

感測器類型典型應用特性霍爾元件120度方波控制每60度取得一次信號。相對便宜。耐熱性不佳。光學編碼器正弦波控制、向量控制兩類：增量型(偵測距離與原點的位移)及絕對型(偵測當前位置)。高解析度。灰塵耐受性不佳。解角器正弦波控制、向量控制高解析度。堅固。可用于嚴苛的環境。

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，以實現平順的旋轉。而120度方波控制在任一時間點僅使三相(U、V及W)中的兩相通電，正弦控制明顯更為復雜，因其必須準確提供不同的電流量至全部三個相位。

降低此復雜性的一個方法是向量控制，利用計算轉換座標空間，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，以供計算使用。取得此資訊的一個方法是使用高精度感測器(??光學編碼器、解角器等)。另一種「無感測器」法是依據進入各相之電流的大小預測位置。不論何種方式，轉換座標空間可直接控制與扭力有關的電流以實現高效率操作，幾乎不會浪費電流。

實現向量控制需要密集的數學運算，包括快速求解轉換座標轉算所需要的三角函數能力。用以控制這些電機的MCU通常包含FPU(浮點運算單元)，必須要能提供強大與即時的運算能力。

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

以及納諾達克電子：

https://www.nanotec-cn.cn/products/156-brushless-dc-motors/