作者：涅哀
編輯整理：strongerHuang
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https://www.zhihu.com/question/318357171/answer/721020603
無刷電機相信大家沒聽說過，生活或工作中都用過或接觸過，今天分享一篇從基礎開始描述無刷電機的文章。
0.電動機轉動的原理
先說電動機的基本原理吧。有基礎的可以直接跳過。
大家小時候都玩過磁鐵吧，異極相吸，兩磁鐵一靠近“啪”就撞上了。
現(xiàn)在假設你的手速足夠快，拿著一塊磁鐵在前面瘋狂勾引，那么另外一塊磁鐵就一直跟著你。
你的手拿著磁鐵畫圈圈，另外一塊磁鐵也跟著你轉圈圈。
以上，就是電動機轉動的基本原理了。只不過是在前面用來勾引的“磁鐵”不是真的磁鐵，而是由線圈通電后生成的磁場。
1. 無刷直流電機簡介
無刷直流電機，英語縮寫為BLDC（Brushless Direct Current Motor）。電機的定子（不動的部分）是線圈，或者叫繞組。轉子（轉動的部分）是永磁體，就是磁鐵 。根據(jù)轉子的位置，利用單片機來控制每個線圈的通電，使線圈產(chǎn)生的磁場變化，從而不斷在前面勾引轉子讓轉子轉動，這就是無刷直流電機的轉動原理。下面深入一下。
2. 無刷直流電機的基本工作原理
2.1. 無刷直流電機的結構
首先先從最基本的線圈說起。如下圖。可以將線圈理解成長得像彈簧一樣的東西。根據(jù)初中學過的右手螺旋法則可知，當電流從該線圈的上到下流過的時候，線圈上面的極性為N，下面的極性為S。
現(xiàn)在再弄一根這樣的線圈。然后擺弄一下位置。這樣如果電流通過的話，就能像有兩個電磁鐵一樣。
再弄一根，就可以構成電機的三相繞組。
再加上永磁體做成的轉子，就是一個無刷直流電動機了。
2.2. 無刷直流電機的電流換向電路
無刷直流電機之所以既只用直流電，又不用電刷，是因為外部有個電路來專門控制它各線圈的通電。這個電流換向電路最主要的部件是FET（場效應晶體管，F(xiàn)ield-Effect Transitor）?？梢园袴ET看作是開關。下圖將FET標為AT（A相Top），AB（A相Bottom），BT，BB，CT，CB。FET的“開合”是由單片機控制的。
2.3. 無刷直流電機的電流換向過程
FET的“開合”時機是由單片機控制的。最常用的電流換向方法是 Six-step Commutation，翻譯過來是“六步換向”?，F(xiàn)在建個坐標系。六步換向的過程如下表。
2.4. 無刷直流電機的轉子是怎么轉動的呢？
靠的就是用六步換向生成一個旋轉的磁場，在轉子的前方不斷勾引。就像文章開頭那只拿著磁鐵畫圈圈的手一樣。如果你看合成的磁場方向和轉子所在的位置的話，就一目了然了。
你看，合成的磁場的S極一直在轉子N極的前面等著。
只要把握好線圈通電的時機，讓合成磁場的方向一直提前于轉子的位置，轉子就會一直屁顛屁顛地跟著。
3. 怎樣確定換向時機？
上面說過，控制轉子轉動的關鍵是，等轉子轉到合適的角度時，對通過線圈的電流進行換向，從而使生成的磁場方向發(fā)生變化，吸引轉子，令轉子轉動。
那這個電流換向的時機應該怎么把握呢？也就是說，我要怎么樣知道現(xiàn)在轉子轉動到什么位置？知道轉子在哪我才知道要通哪兩相的電啊。
其實判斷轉子位置的方法挺多，用傳感器也行，不用傳感器也行。先說用傳感器的，傳感器一般用霍爾傳感器（Hall Sensor）。
3.1. 用傳感器確認轉子位置
3.1.1. 霍爾傳感器
霍爾傳感器通過霍爾效應（Hall Effect），能檢測出磁場強度的變化。根據(jù)高中物理所學的左手定則（用來判斷帶電導體在磁場中的受力方向），在霍爾傳感器所在的回路中，磁場使帶電粒子的運動發(fā)生偏轉，帶電粒子“撞到”霍爾傳感器的兩邊，產(chǎn)生電位差。這時就可以用電壓計接到霍爾傳感器的兩邊，檢測出這種電壓變化，從而檢測出磁場強度的變化。原理如下圖所示。
3.1.2. 霍爾傳感器怎樣得到轉子的位置？
有了霍爾傳感器，就能大致知道轉子的位置了。霍爾傳感器一般是每隔120°安裝，或者每隔60°安裝。下面假設是每隔120°安裝的。
假設轉子N極劃過霍爾傳感器的感應區(qū)域時，霍爾傳感器的輸出電壓為高（一般5V）。反之為低。
根據(jù)HA，HB，HC的電平，可以知道轉子所處位置的角度。比如，若HA高，HB低，HC低，我們能夠知道轉子處于180度～240度的電氣角度之間（電氣角度和實際機械角度的關系等下說）。使用3個霍爾傳感器時，分辨率是60度的電氣角度。就是說我只能知道現(xiàn)在轉子的位置在60°電氣角度范圍內，但準確具體多少度我們不知道。
3.1.3. 電氣角度和機械角度關系
雖然在這里插入這么個小知識有點怪，但我還是覺得有必要的，因為我覺得當時學的時候不太好理解。在這里配合霍爾傳感器的實例說可能好懂一點。
機械角度就是電動機轉子實際轉過的角度。
電氣角度和機械角度的關系與轉子的極對數(shù)有關。
因為實際上線圈生成的磁場要吸引的是轉子的磁極。所以對于電機的轉動控制來說，我們只關心電氣角度就好。
電氣角度 = 極對數(shù) x 機械角度
3.2. 無傳感器時估計轉子位置的方法
這個坑有點大，這個答案就先略過了。
4. 無刷直流電機的轉速和旋轉方向
4.1. 怎樣控制無刷直流電機轉動的方向？
改變電流換向的次序即可。讓線圈合成的磁場方向反方向旋轉起來。
4.2. 怎樣控制無刷直流電機的轉速？
線圈兩端的電壓越大，通過線圈的電流越大，生成磁場越強，轉子轉動得就越快。
因為接的電源是直流的，所以我們通常用PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調制）來控制線圈兩端電壓的大小。PWM的簡單原理如下。
所以給無刷直流電機通電的時候，用單片機產(chǎn)生的PWM不斷地控制FET的開合，能使線圈反復處于通電斷電，通電斷電的狀態(tài)。通電時間長（Duty大），線圈兩端的等效電壓就大，產(chǎn)生的磁場強度就強，轉子轉動就快；通電時間短（Duty?。€圈兩端的等效電壓就小，產(chǎn)生的磁場強度就弱，轉子轉動就慢。
PWM波形接到FET的Gate（門極）上，控制FET的開合。假設Gate上的電壓為高時，F(xiàn)ET閉合導通；Gate上的電壓為低時，F(xiàn)ET斷開不通電。
而且同一相上的上下兩個FET須由反相的PWM波形控制，以防止上下兩個FET同時導通，造成電流不通過電機而上下相同，造成短路。控制FET的PWM波形如下。
尾記
綜上，無刷直流電機的關鍵有三點：
線圈繞組電流的換向順序。電流的換向順序決定了由線圈產(chǎn)生的磁場的旋轉方向，從而決定了轉子的轉動方向。
霍爾傳感器或其它手段來估計永磁體轉子所處的位置，用于決定電流什么時候換向。
使用單片機產(chǎn)生的PWM波形來控制電機繞組的通電時間，來控制轉子轉動的速度。
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