BLDC(brushless DC electric motor）全称是无刷直流电机

1. 有刷电机中的电刷换向器存在火花、无线电干扰、噪声，因磨损而寿命短等问题。而无刷直流电机（BLDC）不用电刷换相，使用电子开关换相。直流电机中产生电磁转矩T的电枢电流与励磁磁通（电流）间无耦合(相互垂直)，分别处于不同电路，可分别控制，有良好控制特性和动态响应。

2. 硬件上，无刷电机主要采用三相逆变电路驱动

   

3. 无刷直流电机，是靠定子磁场和转子磁场间的作用力拉动转子转动的。每一个线圈按照右手定则可以判断出单个线圈的磁场方向，两个线圈就通过矢量合成判断出合磁场方向，这样，三个线圈绕组由电子开关元件按规律接通直流电源，形成旋转磁场，从而牵引着转子旋转，整个过程就像毛驴上吊一根胡萝卜一样。

1. 可以看到，转子在磁场中只有6个稳定状态，而且BLDC一般采用方波驱动，所以BLDC的转动实际上并不*滑，为了解决这个问题，就出现了多极（磁极对数）和多电机槽，比如两极BLDC，就从原本的360°里面“抖”6下，变成360°里面“抖”12下，极数越多越接**滑，类似于微积分思想。

BLDC和PMSM区别#

无刷电机，主要分为BLDC和PMSM两种。

我们称前者为直流无刷电机（Brushless Direct Current Motor），后者为永磁同步电机（permanent magnet synchronous motor）。

结构类似，都是永磁转子和绕组定子，BLDC也是同步电机，但由于定子绕组的互联方式不同，会产生不同的反电动势。绕组两端的压降，可以通过从供电电压减去反电动势算出。

1. BLDC具有梯形的反电动势

   

2. PMSM具有正弦形式的反电动势

   

由此我们可以对这两种电机进行区分。

软件控制上来说，一般而言，

1. BLDC采用6节拍的方波驱动，但一些BLDC也可以使用FOC驱动.
2. PMSM采用FOC（矢量控制）驱动

两种电机各有优势。

1. BLDC相较PMSM在功率密度、转矩惯量比上多15%
2. 齿槽转矩、谐波分量等方面PMSM更具有优势
3. PMSM的定子制作工艺更复杂，成本更高

PMSM以后再详细解析。

霍尔传感器

BLDC通过电子开关管的顺序导通让定子绕组顺序通电，形成旋转磁场，牵引永磁体转子运动。那么，什么时候导通哪一对开关管呢？什么时候导通哪一对绕组？这个问题，我们首先需要知道转子此时转到了6个状态中的哪一个，这就需要通过转子位置检测装置，目前主要采用光电器件和霍尔器件。由于手头上是霍尔传感器，所以实验以霍尔传感器为主。

霍尔传感器原理：

其实就是根据霍尔效应：在半导体上外加与电流方向垂直的磁场，会使得半导体中的电子与空穴受到不同方向的洛伦兹力（左手定则）而在不同方向上聚集，在聚集起来的电子与空穴之间会产生电场，电场力与洛伦兹力产生*衡之后，不再聚集，此时电场将会使后来的电子和空穴受到电场力的作用而*衡掉磁场对其产生的洛伦兹力，使得后来的电子和空穴能顺利通过不会偏移，这个现象称为霍尔效应。而产生的内建电压称为霍尔电压。

电流方向不变，磁场方向改变，霍尔电压随之改变。

BLDC有的会在定子嵌入三个霍尔传感器（工艺复杂成本高），有的则将霍尔传感器安装在另外的PCB板上，并且在转子上安装霍尔传感器磁体（成本低）。每当转子磁极经过霍尔传感器附*时，霍尔传感器她们便会发出高电*和低电*，根据三个霍尔信号的组合，我们就能知道转子的位置。
 

根据霍尔传感器的安装位置，输出信号之间的相移可以是60°或者120°。

需要注意的是，60°安装的霍尔会产生000和111，但是120°安装则没有，利用这个点就可以区分60°或120°安装。

一般而言，电机厂商会根据霍尔安装定义应遵循的换相时序。例如

如果电机厂商没有时序表，则只能自己通过实验得出（太坑爹了有木有）。

硬件驱动方案

构建BLDC电机驱动电路，最少得三颗芯片：MCU控制算法，预驱芯片驱动MOS管，还得外挂运放做电流采样或信号调理

硬件驱动方案我这里选择的是IR2101驱动PSMN011-80YS，MCU选择的是ST的f103。6路PWM由f103的高级定时器TIM1提供，这部分按逻辑要求连接即可。

驱动部分以其中一路为例，f103与IR2101之间加了光耦隔离，当然也可以不加直接驱动，IR2101是支持3.3V的逻辑电*输入的，加入的目的主要是即使后续电路损坏也不会影响主控部分。
 

IR2101内部做了高边驱动处理，只要在外面加上一个电容和一个二极管就能组成boost升压驱动电路，所以省去了很多麻烦，当然选择其他IR系列直接驱动6个mos管也可以，而且也有很多集成方案（太贵了）。

原理分析：

1. 根据我们之前的分析，一个时间会有两个mos管同时导通，让两个绕组通电。
2. 下桥臂的N-MOS导通由于S极接地，所以只要 Ugs>UthUgs>Uth ,就能导通，关键是上桥。
3. 我们让对应的下桥臂先导通，给上桥的N-MOS施加PWM波，高电*导通，但导通后S极会变为24V，那么我们此时需要 24+Uth24+Uth 这么大的电压才能让N-mos导通，boost电路就发挥了作用，由于我们G极输入的是PWM波，根据电容两端电压不能突变的原理，N-MOS在PWM来的瞬间导通后在S极的24V会经过C17电容到达 VBVB ,与C17电容上原本的电压 15V15V叠加产生一个理想情况下大约 15+24=39V15+24=39V 左右的电压（实际上由于管子压降会变小），这个39V电压会通过IR2101内部开关管驱动 H0H0 ，保证在高电*一段时间内都能正常导通。D2二极管主要起到单向导通作用。

   

   
   需要注意的是，霍尔传感器内部假设厂家没有处理，可能是OC/OD输出，需要加上拉电阻才能输出高电*，并且如果MCU的GPIO口不是兼容5V的，可以加肖特基二极管上拉至3.3V钳位保护。

4. 转子就是旋转的；

   定子就是固定的；

   然后其中一个可能是永磁体，就是那种加入稀土等材料然后可以保持长期磁性的物质；

   而另一个就是线圈绕组，经过交变电流之后，会产生变化的磁场，从而推动电机的转子进行旋转。

5. 

   无刷直流电机通过电子换向器取代了传统直流电动机的机械换向装置，从而有效解决了电刷和换向器带来的诸多问题，如噪声、火花、电磁干扰以及寿命短等。这种电机不仅继承了交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等优点，更兼具了直流电机的高运行效率、无励磁损耗以及出色的调速性能。正因如此，无刷直流电机在工业领域的应用日益广泛，涵盖家用电器、电动工具、电动自行车、电动摩托车以及电动平衡车等多个领域。

   

   无刷直流电机由三个主要部分构成，它们分别是电机本体、位置传感器以及电子开关线路。在结构上，电机本体与永磁同步电机颇为相似。而电子开关线路则是由功率逻辑开关单元（例如IGBT、MOS管等）和位置传感器信号处理单元共同组成。该线路的导通顺序与转子的转角保持同步，从而实现了机械换向器的换向功能。
   1.2 BLDC的工作原理

   无刷直流电机（BLDC）的工作原理，可以概括为“三相六拍”的换向过程。其电子开关线路根据位置传感器的信号，依次控制电机本体的三相绕组进行通电与断电，进而实现电机的连续旋转。这种换向方式不仅保证了电机的高效率，还大大延长了其使用寿命。

   

   无刷直流电机的控制原理，可以简化为一个示意图，清晰地展示了电机的工作过程。通过位置传感器的信号，电子开关线路精准地控制电机本体的三相绕组的通电与断电，从而实现电机的顺畅旋转。这种控制方式不仅高效，而且可靠，为电机的长期稳定运行提供了有力保障。
   1-2所示，主电路采用的是典型的电压型交-直-交电路设计，其中逆变器负责产生等幅等频的5-24KHz调制波，进而转换为对称的交变矩形波。而永磁体的N-S极交替变化，会引发位置传感器输出相位差为120度的H3、H2、H1方波，这些方波经过处理后，将产生一个有效的六状态编码信号。
   在电路设计中，主电路采用了经典的电压型交-直-交架构。逆变器是其中的关键组件，它能够生成幅度和频率稳定的5-24KHz调制波，这些调制波经过转换，会形成对称的交变矩形波。同时，永磁体的N-S极交替变化，会触发位置传感器输出相位差为120度的H3、H2、H1方波。这些方波经过进一步处理，能够生成一个高效且具有六状态编码功能的信号。
   在电路设计的主电路部分，我们采用了经过时间考验的电压型交-直-交体系。该体系的核心在于逆变器，其功能是生成稳定且频率在5-24KHz范围内的调制波。这些精心调制的波形经过一系列转换，最终转化为对称的交变矩形波，为电路提供稳定的电源。此外，永磁体的N-S极交替变化，会直接触发位置传感器，从而输出相位差为120度的H3、H2、H1方波。这些方波经过精心处理后，能够生成一个既高效又具备六状态编码功能的信号，为电路的稳定运行提供有力支持。
   通过逻辑组件的处理，我们得到了以下导通状态组合：V6-V1、V5-V6、V4-V5、V3-V4、V2-V3以及V1-V2。这些组合意味着直流母线电压被依次施加在U->V、W->V、W->U、V->U、V->W以及U->W的路径上。随着转子每转过一对N-S极，V1、V2、V3、V4、V5和V6这六个功率管会按照固定的组合顺序，依次呈现出六种不同的导通状态，如图所示。

   

   在图1-3所示的星形三相六状态中，每一状态下仅有两相绕组通电。通过依次改变状态，定子绕组产生的磁场轴线会在空间内连续转动。
   60°电角度，转子会跟随定子磁场的转动而转动，这一过程相当于转子在空间中移动了60°的位置。在这个新的位置上，位置传感器U、V、W会按照预先设定的规则生成一组新的编码。这组新的编码会进一步改变功率管的导通状态，从而引导定子绕组产生的磁场轴线继续前进。
   60°电角度的循环转动，使得无刷直流电动机能够持续产生转矩，进而驱动负载进行连续的旋转运动。

   二、BLDC的主流驱动方法

   现今，BLDC的主流驱动方式可概括为三种：方波控制，亦被称为梯形波控制，以及另外两种方法。
   120°控制或6步换向控制、正弦波控制，以及FOC控制（亦被称为矢量变频、磁场矢量定向控制）。
   2.1 方波控制
   方波控制是一种基本的电机控制方式。在电机驱动系统中，方波控制通过产生方波电压或电流来驱动电机，从而实现电机的运转。这种控制方式具有简单、直接的特点，被广泛应用于各种电机驱动应用中。然而，方波控制也存在一些不足之处，如转矩脉动和噪音等问题，需要结合具体应用场景进行选择和优化。
    

   

   
   图2-1展示了方波6步换向控制的基本原理。该原理依赖于霍尔传感器或无感估算算法来获取电机转子的位置。在电机转子的360°电气周期内，会进行6次换向，每次换向间隔60°。这样，电机在每个换向位置都会输出特定方向的力。由于电机的相电流波形近似为方波，因此得名方波控制。

   方波控制的优点在于其控制算法简单且硬件成本相对较低，即使使用性能普通的控制器，也能实现较高的电机转速。然而，它也存在一些不足，如转矩波动较大、存在电流噪声以及效率无法达到最大值。因此，方波控制主要适用于对电机转动性能要求不高的场合。
   2.2 正弦波控制

   正弦波控制是一种高级的电机控制方法，其核心在于利用高性能控制器和传感器，实现对电机转子位置的精确控制。与方波控制不同，正弦波控制能够使电机在每个换向位置都输出平稳且连续的力，从而显著降低转矩波动和电流噪声。此外，正弦波控制还能进一步提高电机效率，使其在高性能应用中发挥出色。然而，正弦波控制的实现需要高性能的控制器和传感器支持，因此硬件成本相对较高。
    

   

   
    

   

   
   图2-2展示了正弦波控制的基本原理。具体来说，就是向电机绕组施加SVPWM波，从而输出三相正弦波电压。这些电压作用于电机绕组，进而产生正弦波电流。通过精确控制这些正弦波电流的幅值和相位，我们可以实现对电机转矩的细致调控。值得一提的是，正弦波控制摒弃了方波控制的换向概念，在一个电气周期内实现了无限多次的换向。

   正弦波控制的优点主要包括：转矩波动小，电流谐波少，换向电流突变问题得到解决，因此电机运行时的噪声也相应降低。然而，它也存在一定的缺点：对控制器性能的要求较为严格，且电机效率无法达到最高值。正弦波控制特别适用于那些对电机运行噪声有较高要求的场合。
   2.3 FOC控制

   FOC控制方式可以被视为正弦波控制的进一步发展，它实现了对电流矢量的精细控制，也就是说，它能够操控电机定子磁场的矢量方向。这种控制方式在许多应用中展现了卓越的性能，特别是在需要高精度控制电机转矩的场合。然而，FOC控制也面临一些挑战，如对控制器性能的高要求以及可能的技术复杂性。
    

   

   
   图2-3展示了FOC控制的基本原理。具体来说，该控制方式首先将正弦波定子电流分解为两个分量：一个与磁场平行的磁场分量电流，以及一个与磁场垂直的转矩分量电流。然后，对这些分量电流进行分别控制，以实现磁通电流分量和转矩电流分量的完全解耦。FOC控制的优点包括转矩波动小、效率高、噪声低以及动态响应迅速。然而，它也存在一些不足，如硬件成本相对较高，对控制器性能有严格要求，并且需要精确匹配的电机参数。