一、直流無刷電機(jī)的構(gòu)成要素

直流無刷電機(jī)的正常運(yùn)行依賴于多個(gè)關(guān)鍵部件的協(xié)同工作，包括直流電源、控制器、電動(dòng)機(jī)以及轉(zhuǎn)子位置檢測裝置。

直流電源 ：直流電源是整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)能量供給的核心。若輸入為交流電，則必須借助 AC - DC 轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為直流電，以滿足電機(jī)運(yùn)行所需的直流電源要求。穩(wěn)定的直流電源是確保電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。

控制器 ：控制器作為電機(jī)系統(tǒng)的 “大腦”，承擔(dān)著至關(guān)重要的控制任務(wù)。它主要由開關(guān)主電路、驅(qū)動(dòng)電路和控制電路（MCU）三大部分構(gòu)成。開關(guān)主電路通常由 6 個(gè)分立功率器件組成，通過上下臂連接電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)線圈電流的控制，可選擇的功率器件類型多樣，包括功率晶體管 GTR、功率場效應(yīng)管 MOSFET、絕緣晶體管 IGBT、可關(guān)斷晶閘管等。驅(qū)動(dòng)電路則負(fù)責(zé)確保功率器件能夠可靠地導(dǎo)通和關(guān)斷。控制電路中的 MCU 運(yùn)行 PWM（脈沖寬度調(diào)制）信號，精準(zhǔn)決定功率管的開關(guān)頻率以及電子換向的時(shí)機(jī)。

電動(dòng)機(jī) ：作為將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的核心部件，三相無刷直流電機(jī)以其卓越的性能在眾多應(yīng)用場景中備受青睞。其結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特性決定了電機(jī)的功率輸出和運(yùn)行效率。

轉(zhuǎn)子位置傳感器 ：為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)，必須準(zhǔn)確獲取轉(zhuǎn)子的位置信息。霍爾傳感器作為常見的位置檢測元件，通常在無刷電機(jī)中以三個(gè)開關(guān)型的形式出現(xiàn)，它們在空間上彼此相差 120 電角度，用以測量轉(zhuǎn)子的位置，并向 MCU 輸出 3 位二進(jìn)制編碼信號。然而，安裝霍爾傳感器會(huì)增加電機(jī)的體積和復(fù)雜度，對電機(jī)的可靠性和制造過程帶來一定挑戰(zhàn)。因此，無霍爾傳感器的無刷電機(jī)控制方法逐漸受到廣泛應(yīng)用。這種無霍爾方案通過檢測定子繞組的反電動(dòng)勢過零點(diǎn)來確定轉(zhuǎn)子位置。與傳統(tǒng)霍爾方案相比，其顯著優(yōu)勢在于降低成本、減小體積，同時(shí)使電機(jī)引線從 8 根減少至 3 根，極大簡化了接線和調(diào)試過程。但需要指出的是，由于缺乏霍爾傳感器的直接檢測，在電機(jī)靜止或低速運(yùn)行時(shí)，反電動(dòng)勢較弱，難以準(zhǔn)確獲取轉(zhuǎn)子位置信號，導(dǎo)致其在靜止或低速啟動(dòng)時(shí)需采用開環(huán)方式，容易引發(fā)電機(jī)振動(dòng)，這對于負(fù)載敏感或負(fù)載變化頻繁的場合而言存在一定局限性。

二、直流無刷電機(jī)的控制原理

直流無刷電機(jī)的控制核心在于依據(jù)轉(zhuǎn)子磁極的位置，對定子線圈實(shí)施精確的換向通電。其中，通過 6 個(gè)功率器件構(gòu)成的 3 個(gè)半橋來操控線圈的 6 拍通電模式，從而生成旋轉(zhuǎn)磁場，這一過程是實(shí)現(xiàn)電機(jī)高效運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)。

在電機(jī)運(yùn)行過程中，A +、B +、C + 代表上臂功率晶體管，而 A -、B -、C - 則為下臂功率晶體管。通過按照特定順序依次導(dǎo)通這 6 只功率晶體管，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī) A、B、C 三相繞組的循環(huán)通電，進(jìn)而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場。例如，按照 B + A -、B + C -、A + C -、A + B -、C + B -、C + A - 的順序?qū)ǎ軌蛐纬身槙r(shí)針方向的旋轉(zhuǎn)磁場。若需實(shí)現(xiàn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，則只需將功率晶體管的開啟順序反過來即可。在此過程中，必須嚴(yán)格注意避免同相的上臂和下臂功率管同時(shí)導(dǎo)通，否則將導(dǎo)致上下臂短路，可能損壞功率管。

為了調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以通過改變線圈繞組兩端的電壓來實(shí)現(xiàn)。在電機(jī)控制系統(tǒng)中，通常采用單片機(jī)生成 PWM（脈沖寬度調(diào)制）波形，通過精確控制 PWM 的占空比，從而調(diào)節(jié)線圈繞組的平均電壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的精準(zhǔn)調(diào)控。PWM 調(diào)制方式主要分為全橋調(diào)制和半橋調(diào)制兩種類型。在 120° 導(dǎo)通期間，若對功率逆變橋的上橋和下橋均采用 PWM 方式驅(qū)動(dòng)，則稱為 “全橋調(diào)制”。而如果在 120° 導(dǎo)通期間，僅對功率逆變橋的上橋（或下橋）采用 PWM 方式驅(qū)動(dòng)，而下橋（或上橋）保持恒通，則為 “半橋調(diào)制”。

全橋調(diào)制模式下，MOS 管的開關(guān)頻率大約是半橋調(diào)制方式的兩倍，這使得全橋調(diào)制的損耗相對較大，因此在實(shí)際應(yīng)用中較少采用。相比之下，半橋調(diào)制更為常用，并且根據(jù)不同的應(yīng)用場景和電路需求，半橋調(diào)制又衍生出多種方式，如 H - PWM - L - ON（在 120° 導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)，上橋臂 MOS 管采用 PWM 調(diào)制，下橋臂 MOS 管保持恒通）、H - ON - L - PWM（在 120° 導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)，上橋臂 MOS 管恒通，下橋臂 MOS 管采用 PWM 調(diào)制）、PWM - ON（前 60° 采用 PWM 調(diào)制，后 60° 恒通）、ON - PWM（前 60° 恒通，后 60° 采用 PWM 調(diào)制）等。每種調(diào)制方式都具有其獨(dú)特的特點(diǎn)，因此在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景和電路配置，精心選擇最為合適的控制策略，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)的最佳性能表現(xiàn)。