鲁达 无刷直流电机控制-（一）概念和原理
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这个系列为大家详细讲下无刷直流电机的控制，从概念和原理到数学模型的计算再到控制策略，争取尽快更新完。如果有任何疑问可以私信或者评论，大家互相学习进步～
01 无刷直流电机的概念
无刷直流电机（BLDC）即无电刷和换向器的电机，又称无换向器电机或同步直流电机。BLDC输入端为直流电，但本质上其实是通过循环切换逆变器主开关实现了交流电的效果，使线圈绕组产生变化的磁场，并让电机转子受连续的转矩作用而持续转动。
三相无刷直流电机的拆解示意图
BLDC可以根据定子绕组的数量配置为单相、两相和三相，我们平时接触到的最多的是三相电机，上图是一款三相无刷直流电机的拆解示意图。
02 无刷直流电机的应用
据估计，2022年BLDC电机市场规模将达到197.6亿美元左右，随着BLDC电机技术趋于成熟，BLDC电机已经在军事、航空、工业、汽车、民用控制系统，以及家电等领域都有了广泛的应用。多见低压小功率器件，比如小型机器人、无人机、电动自行车、吸尘器、电动工具等。
下面举几个热门应用。
吸尘器/吹风机：
提到吹风机或吸尘器，大家耳熟能详的品牌就是戴森（Dyson）。戴森吹风机所宣传的“跨时代黑科技”V9智能数字电机比传统电机更小，更轻，转速更快。
戴森数字马达
不用碳刷，电机每分钟转数可达110000次，并且该电机比其他电机更小巧轻便。在戴森的数字电机采用的电机是“single-phase brushless DC motor”，本质上就是一款BLDC电机。
戴森数字马达
无人机/云台：
无人机电机控制的关键是转速和方向控制，最热门的无人机非大疆莫属。下图是无人机Spark的拆解图，可见四个角端的BLDC电机。
大疆Spark系列无人机拆解图
类似的应用还有云台。
一款云台用BLDC电机拆解图
电动工具：
生活中常见的手持电动工具，例如博世的电动扳手、电钻等。无刷直流电机的节能和高效率，再加上手持式的电动工具的成本也在持续下降，所以更多使用BLDC电机的电动工具发展迅速，最有名的国际大厂例如博世（Bosch）、德伟（Dewalt）、美沃奇（Milwaukee）等。
03 无刷直流电机的构成
简单介绍下BLDC的组成结构。
定子：
BLDC电机的定子由铸钢叠片组成，绕组置于沿内部圆周轴向开凿的槽中。定子与感应电机的定子十分相似，但绕组的分布方式不同。多数BLDC电机都有三个星型连接的定子绕组。这些绕组中的每一个都是由许多线圈相互连接组成的。在槽中放置一个或多个线圈，并使它们相互连接组成绕组。沿定子圆周分布这些绕组，以构成均匀分布的磁极。
转子：
BLDC电机采用永磁体做转子，转子中是没有线圈的，而转子的南磁极和北磁极是交替排列的。另外，随着软磁材料技术的提高和价格的下降，转子的材料也更多地采用高性能的钕铁硼稀土材料制作永磁转子，其较高的磁能积和稳定的特性使BLDC电机拥有更好的机械特性和动态响应，更高的效率和转速范围。
这里引用Microchip对BLDC的一篇原理说明文件中的示意图，下图是转子磁体横截面的示意图：
霍尔传感器：
BLDC电机的控制最重要的是转子位置的识别，位置识别的方法有两种，一种是用位置传感器来识别转子的位置，即霍尔传感器；另一种则无位置传感器，是通过检测反向电动势来识别转子的位置。
对于有感BLDC电机来说，多数BLDC电机会在定子中嵌入三个霍尔传感器。
每次换向，都有一个绕组连到控制电源的正极（电流进入绕组），第二个绕组连到负极（电流从中流出），第三个处于失电状态。转矩是由定子线圈产生的磁场和永磁体之间的相互作用产生的。
当转子磁极经过霍尔传感器附近时，传感器就会发出高电平或低电平信号，表征南/北磁极正在经过霍尔传感器所感知的区域。
霍尔传感器输出的信号之间相位偏移可以是60°或120°。
霍尔效应：
霍尔效应在1879年被美国物理学家霍尔发现，当电流通过一个位于磁场中的导体的时候，导体中会产生一个与电流方向及磁场方向均垂直的电势差。且电势差的大小与磁感应强度的垂直分量及电流的大小成正比。
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