電機驅動器文化崛起剛剛幾年，我很自然地認為大部分人都不熟悉機電控制系統。為此我召開了幾次座談會，這真是有點費勁的事情。
但是我認為我有義務就這個話題培訓其他人，因為我很少看到高校課程除了簡單介紹控制理論之外再做其它講解。我的目標是深入淺出地介紹無刷直流電機。
所有電機都有個概念叫做「換向」，說的是切換電流(用某種方式)以便移動物理轉軸的過程。當電流流經線圈時轉軸就會移動，從而產生磁場(一般來說，是由永磁體產生的)，這個磁場與原有磁場可能相斥，可能相吸。該力導致轉子(電機的運動部分)相對於定子(電機的靜止部分)而言發生運動。
磁體是換向的一個很好的類比。當把兩個磁體放在桌子上同極相對時，它們會相互排斥。當兩個同極距離足夠遠後，它們將停止移動。如果把一個磁體靠近第二個磁體，第二個磁體也會因同性相斥被推遠。如果繼續這樣做，磁體將持續移動，這就是換向的線性示例。
有刷直流電機實行機械換向，這意味著電機的物理結構實際上會導致電機換向。電刷與換向器接觸，隨著電機旋轉，電流通過電機線圈，將會使極性交替。這允許定子永磁體產生的磁場，始終與轉子產生的磁場相反，因而總能產生力。機械換向表示有刷直流電機只需在電機繞組上施加一些電壓即可旋轉，如圖 1所示。
圖 1. 有刷直流電機結構
很多讀者在看到本文的標題後很可能正處於迷惑中，因為到現在為止我還沒有談及無刷直流電機。不過，為了解釋「無刷」，我需要首先解釋電刷用在什麼地方。
無刷電機的起源從頭來講也是比較簡單的：大部分有刷直流電機的問題都來自於電刷。電刷可能打火花、磨損、產生很強的噪音並產生很大一部分功耗，導致速度被嚴重限制，且不容易冷卻。這意味著您不能在任何易燃物周圍、需要長使用壽命、靜音或高效率的應用條件下、在任何高速或高功耗系統中使用有刷直流電機。這都是電刷顯著的缺點，取消電刷就可以解決這些問題，但是不好的地方是同時消除了機械換向。
缺乏機械換向會造成其它問題，因為電機需要換向。無刷電機使用電氣換向，聽起來很神奇嗎?這種換向方式下，您需要確保電機中的電流始終產生一個可以移動轉子的磁場。但是看看圖 2，您需要先知道轉子在哪裡，才能考慮如何施加電流來移動轉子。
圖 2.無刷直流電機結構
無刷直流電機系統的首個重大結構決策是「有傳感器(sensored)」和「無傳感器(sensorless)」之分。您需要知道轉子在哪的話，有兩種方法能幫助您：
• 有傳感器法，通常使用霍爾效應傳感器或編碼器，來探測轉子的位置。雖然編碼器可以給予非常準確的角度反饋，但這種方法成本很高。霍爾效應傳感器是一種很受歡迎的磁傳感器。在三相無刷直流電機中，部署三個霍爾效應傳感器可以實現簡單的六步換向。
• 無傳感器法，位置估計通常涉及測量或估計電機旋轉時產生的逆電動勢(EMF)。逆電動勢是個複雜的話題，最好單獨講解。簡言之，它是電機線圈上生成的電壓，即電機速度及電機負載的函數。無傳感器法的本質上是一種估計，通常需要進行複雜的計算。隨著電機速度的下降(例如，對於位置控制的伺服電機)，無傳感器法將變得異常困難，這是因為逆電動勢隨速度下降。
無刷直流電機系統的第二個重大結構決策是控制方法。如果您知道轉子在哪裡，需要施加一定的電流來移動轉子的話，三相無刷直流電機需要至少六個不同的電位。圖 3是一張簡圖，您可以使用「梯形」、「六步」或「120度」的控制方法來找到無刷直流電機換向的方法。
圖 3. 有傳感器梯形換向
另外一種方法是為電機施加更平滑的電流波形，這稱之為「正弦波」控制或「180度」。與梯形控制相比，當與合適的電機配合使用時，這種控制方法能夠提高效率，降低噪音。缺點是要實現平滑電壓和電流分布，複雜性比較高，通常需要更準確的脈寬調製(PWM)計時器。
圖4. 正弦波整流
在寫這篇短文時，我很快就意識到這個主題其實非常寬泛。如磁場定向控制、電機啟動、內轉子與外轉子、極數、Δ(Delta)與Y型繞組，以及許多細節本文無法一一述及。不過，我真心希望您能在讀過後，在電機知識方面有所受益。
本文同步刊登於電子工程專輯雜誌2019年6月刊
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