目录（2024.02.22版）
1 定义
2 各种电机优势比较
2.1 有刷与无刷比较
2.2 交流与直流比较
2.3 内转子与外转子比较
2.4 低压BLDC的一些优点
3 基本原理
3.1 单相无刷电机
3.2 三相无刷电机
4 驱动方法
4.1 六步换相控制
4.1.1 基本原理
4.1.2 系统框图（待更新）
4.1.3 PWM调速（待更新）
4.1.4 速度和扭矩波动原因
4.2 正弦波控制
4.3 FOC控制（更新ing）
4.3.1 定义
4.3.2 总体思路
4.3.3 控制过程概述
4.3.4 技术关键（学习笔记待更新）
5 转子位置信息的获取
5.1 霍尔传感器
5.2 反电动势
6 系统设计（待更新）
0 参考出处
【仅作自学记录，不出于任何商业目的。如有侵权，请联系删除，谢谢！】
- 文段：
- 维基百科直流无刷电动机 、矢量控制直流无刷电动机
- 瑞萨电子官网何谓BLDC电机 | Renesas
- Machine DesignField-oriented control for motors
- MATLAB官网克拉克和帕克变换、计算最大转矩电流比 (MTPA) 和弱磁运行的参考电流
- 知乎稚晖君【自制FOC驱动器】深入浅出讲解FOC算法与SVPWM技术（非常好）
- 灯神写一个比SimpleFOC更好的库（非常好）
- 视频：
- 广州大学《机电一体化》课程视频无刷直流电动机的特点、结构、原理和控制
- 德州仪器培训视频深入理解无刷直流电机（BLDC）原理以及控制
- EEWORLD大学堂matlab与电机控制（非常好）
- EEWORLD大学堂无刷直流电机基础 - 驱动控制
- b站up主爱上半导体视频无刷直流电机的工作原理
- 油管How To MechatronicsHow Brushless Motor and ESC Work and How To Control them using Arduino
- 油管Jantzen LeeThe Clarke and Park transformations (Episode 8) (youtube.com)
1 定义
无刷直流电动机（BLDC，即Brushless DC Motor），也称为电子换向电动机，是一种没有电刷和换向器的电动机，根据转子永磁体位置调整定子电流以产生相应转矩。知乎博主佟明昊一针见血地指出，其可定义为反电势为梯形波的永磁同步电机。无刷电机系统的结构通常类似于永磁同步电机 （PMSM，即Permanent Magnet Synchronous Motor）。
【BLDC（无刷直流电机）和PMSM（永磁同步电机）】
关于二者区别，可参看：电子发烧友网简要分析永磁无刷直流电机与永磁同步电机的差别、知乎彻底搞懂BLDC与PMSM的区别、航模电机为什么多用BLDC，而不是PMSM？，查阅资料后个人感觉不用太纠结于此。
一般来说，BLDC电机的定子绕组通常采用集中整距绕组，具有梯形波反电势；而PMSM电机则往往使用分布短距绕组或者正弦绕组，具有正弦波反电势。【复习集中/分布绕组：视频电机集中/分布式绕组区别、知乎文章集中绕组和分布绕组区别？（集中-梯形-扭矩大-但谐波多损耗大；分布-正弦-损耗小）】但是，集中整距绕组不一定就是BLDC，而分布短距绕组大概率是PMSM。因为反电势波形的制造比较复杂，集中整距绕组的电机不一定产生梯形波反电势，而分布短距绕组更容易制造出正弦波反电势。
2 各种电机优势比较
通过比较，了解为何选择BLDC电机。
| 特性 | BLDC电机 | 永磁有刷直流电动机 | 交流感应电动机 |
| 定子 | 多相绕组 | 永磁 | 多相绕组事 |
| 转子 | 永磁 | 绕组 | 线绕组或笼型绕组 |
| 转子位置传感器 | 需要 | 不需要 | 不需要 |
| 电滑动接触火花 | 无 | 有，换向器与电刷 | 无，或可能有集电环 |
| EMC干扰 | 较低 | 高 | 低 |
| 可闻噪声 | 较低 | 高 | 低 |
| 电子控制器 | 必需 | 不是必需，调速时需要 | 不是必需，调速时需要 |
| 使用电源 | DC | DC | AC |
| 使用电压范围 | 高,受功率器件耐压限制 | 较低，受换向器耐压限制 | 高 |
| 机械特性 | 接近线性 | 线性 | 非线性 |
| 起动转矩倍数 | 较高 | 较高 | 较低 |
2.1 有刷与无刷比较
与有刷直流电机相比，无刷电机具有多项优势：高扭重比（torque to weight ratio）、更大的每瓦扭矩、高可靠性、低噪音、通过消除电刷和换向器侵蚀来延长使用寿命、消除换向器火花，以及全面减少的电磁干扰（EMI）。由于转子上没有绕组，因此它们不会受到离心力的影响，并且由于绕组由外壳支撑，因此可以直接传导冷却，而不需要通过电机内部的气流进行冷却。这反过来意味着电机的内部可以完全封闭，以防止灰尘或其他异物进入。
| 特性 | BLDC电机 | 有刷直流电机 |
| 换向 | 根据霍尔位置传感器进行电子换向 | 采用电刷换向 |
| 维护 | 由于无电刷而较少需要 | 需要定期维护 |
| 寿命 | 较长 | 较短 |
| 转速/转矩特性 | 平坦（在负载额定的条件下,可在所有转速下正常 工作） | 中等平坦（转速较高时，电刷摩擦增加,因此减少了有用转矩） |
| 效率 | 高（没有电刷两端的压降） | 中等 |
| 输出功率/体积 | 高（由于出众的散热特性而缩小了体积。由于BLDC电机将绕组放在了连接至电机外壳的定子上，因而散热更好） | 中等/低（电枢产生的热量散发到气隙中,这使气隙中的温度升高，限制了输出功率/体积规范） |
| 转子惯性 | 小，因为转子上有永磁体 这改进了动态响应 | 较大的转子惯性限制了动态特性 |
| 转速范围 | 较高（无电刷/换向器施加的机械限制） | 较低（有电刷的机械限制） |
| 产生的电子干扰 | 低 | 电刷中的电弧会对附近设备产生电磁干扰 |
| 制造成本 | 较高（由于其中有永磁体，制造成本较高） | 低 |
| 控制成本 | 复杂且昂贵 | 简单且便宜 |
| 控制要求 | 要保持电机运转，始终需要控制器 可使用这一控制器控制转速 | 固定转速不需要控制器，只有需要改变转速时才需要控制器 |
2.2 交流与直流比较
| 特性 | BLDC电机 | 交流感应电机 |
|---|---|---|
| 转速/转矩特性 | 特性曲线平坦，在负载额定的条件，可在所有转速下正常工作。 | 特性曲线非线性，低转速下转矩也低。 |
| 输出功率/体积 | 功率密度高，由于转子采用永磁体，体积较小 | 功率密度中等，由于定子和转子都有绕组，输出功率与体积之比低于BLDC。 |
| 转子惯性 | 惯性小，动态特性较佳 | 惯性大，动态特性较差 |
| 起动电流 | 额定值，无需专门的启动电路。 | 大约是额定值的7倍，应谨慎选择合适的启动电路。通常使用星型-三角形启动器。 |
| 控制要求 | 要保持电机运转，始终需要控制器。还可使用这一控制器控制转速。 | 固定转速不需要控制器，只有需要改变转速时才需要控制器。 |
| 差频 | 定子和转子磁场的频率相等 | 转子运行频率低于定子磁场。差频随着电机负载的增大而增加。 |
2.3 内转子与外转子比较
就BLDC自身结构而言，可分为内转子和外转子两种：
-rotor：转子；stator：定子；permanent magnet：永磁体；coil windings：线圈绕组；bearing：轴-
内转子电机的优势在于转子的转动惯量低，散热非常快，在大多数工业应用中广泛使用。外转子电机的定子位于内侧，转子包括一个能够旋转外壳，磁体安装在外壳上，定子发热线圈与环境隔绝，散热相对较慢。由于转子的转动惯量转矩很大且很难控制转子外壳的平衡，所以外转子电机不适用于旋转速度很高的模式。但外转子电机可以拥有更短的结构并通常具备更小的停转转矩，而由于在相同的磁力下，它的转子直径更大，因此其转矩也更大。
2.4 Delta型与Y型定子绕向比较
Delta型绕组电机在低速时提供低扭矩（Lower torque at low speed），但可以提供更高的最高速度（Higher top speed）；Y型绕组在低速时可提供高扭矩（Higher torque at low speed），但最高速度不高（Lower top speed）。Delta型绕组结构允许含有奇次谐波电流在电机内循环，而Y型绕组并不包含寄生电流可流动的闭环结构（Immune to parasitic currents），从而防止额外损耗，故Y型绕组效率更高。除了Y型绕组较高阻抗外，从控制器的角度来看，不管是Y型还是Delta型连接，电机的驱动方式都是一样的。
2.4 低压BLDC的一些优点
- 集成电路功能集成： 板载小型封装、低导通电阻功率 MOSFET、电流检测放大器、温度传感器、集成 DC-DC、LDO 甚至电机控制器；
- 保护功能： 逐周期过流保护、过热保护、失速检测、自动重启等；
- 更安全：低电压运行；
- 更易制造：电机尺寸更小，需要工艺技术较低的，节省成本；
- 通用电压工作范围： 由于电机额定电压为 24V，同样的解决方案可用于 110V / 220V 线电压产品，满足全球各地的需求。
3 基本原理
BLDC使用电子控制器将直流电流转换到电机绕组，通过控制电流导通关断产生有效的空间旋转磁场，驱使永磁转子跟随磁场旋转。控制器调整直流脉冲的相位和振幅，以控制电机的速度和扭矩。
3.1 单相无刷电机
以外转子单相无刷电机为引，基于“同性相斥、异性相吸”的原理产生转动：
上下线圈的绕向相反，则通电时极性相同：
通过H桥交替导通，以变换流入a、b的电流方向，从而改变线圈极性，使其转动起来。利用单片机进行控制时，S1-4这四个开关由MOS管来代替——这样便可通过调节输入MOS管的PWM占空比来控制转速。
3.2 三相无刷电机
三相无刷电机的三个线圈则是彼此独立的。由于依次导通单个线圈的方式线圈利用率低，故常采取星形连接一次导通两相或三相。
外转子：
内转子：
下图从左到右依次为，每60°、每90°、每15°进行一次换相：
三相无刷电机数学模型为：
其运行特性为：
-从上到下从左到右分别为：转速-转矩；转速-外施电压；空载电枢电流-时间 转速-时间；额定转矩-转速-
4 驱动方法
4.1 六步换相控制
4.1.1 基本原理
从U相向W相通电，则会产生方向不同的2个磁通量，而这两个磁通量可以合成一个指向右下30°方向的总磁通量
如上述所示，每次同时控制两个线圈导通，按顺序从1-6变更通电模式，则合成磁通量将顺时针旋转。通过变更合成磁通量的方向，控制速度，可控制转子的旋转速度。将切换这6种通电模式来控制电机的控制方法称为“六步换相控制（Six-Step Commutation）”，或称“120度通电控制”、“梯形控制（Trapezoidal Control）”：
尽管在六步换相控制下合成磁通量的方向会发生旋转，但其方向不过只有6种。比如将“通电模式1”改为“通电模式2”，则合成磁通量的方向将变化60度。然后转子将像被吸引一样发生旋转。接下来，从“通电模式2”改为“通电模式3”，则合成磁通量的方向将再次变化60度。转子将再次被该变化所吸引。这一现象将反复出现。这一动作将变得生硬。有时这动作还会发出噪音。
下图所示即换向逻辑，图中A、B、C三个字母代表相（Phase）；H和L分别代表高侧（High Side）和低侧（Low Side）：
4.1.2 系统框图（待更新）
相应simulink仿真：
4.1.3 PWM调速（待更新）
4.1.4 速度和扭矩波动原因
下图中青色矢量表示转子磁场方向与大小、紫色矢量表示定子磁场方向与大小：
从图中可以看出，二者磁场夹度一直在60°和120°之间波动，这便是速度和扭矩波动背后的原因，这也使我们无法持续得到最大扭矩（磁场夹度为90°时，扭矩最大）。而磁场定向控制（即后文的FOC控制）便可很好地解决这个问题。
4.2 正弦波控制
能消除六步换相动作生硬、动作噪声等缺点，并实现流畅的转动的正是“正弦波控制”。在六步换相控制中，合成磁通量被固定在了6个方向，且各相生成的磁通量大小相同。但是，若能较好地调整各相电流，则可让各相线圈同时产生大小各异的磁通量，精密地控制合成磁通量的方向。通过控制这一磁通量连续生成，可使电机流畅地转动：
正弦波控制为3相通电，流畅地改变合成磁通量的方向，因此转子将流畅地旋转。六步换向控制切换了U相、V相、W相中的2相，以此来使电机转动，而正弦波控制则需要精确地控制3相的电流。而且控制的值是时刻变化的交流值，因此，控制变得更为困难。
4.3 FOC控制（更新ing）
4.3.1 定义
矢量控制，又称磁场定向控制（FOC，即Field-Oriented Control），是一种变频驱动（VFD）控制方法，其中三相交流或无刷直流电机的定子电流被识别为两个正交分量，可通过矢量直观显示。其中一个分量定义了电机的磁通量，另一个分量定义了转矩。驱动器的控制系统根据驱动器速度控制给出的磁通和转矩参考值计算出相应的电流分量参考值。
矢量控制会依照程式中计算的电流矢量，产生三相PWM的电压提供给电机，目的是要控制电机的三相电流。其中会将电流及电压等物理量在二个系统之间转换，一个是随速度及时间改变的三相系统，另一个则是二轴非线变的旋转坐标系统。
但是，矢量控制计算需要高分辨率下的转子的位置信息。位置检测有两种方法，即使用光电编码器或转角传感器等位置传感器的方法，以及根据各相的电流值进行推算的无传感器方法。通过该坐标变换可直接控制扭矩（旋转力）的相关电流值，从而实现没有多余电流的高效控制。
4.3.2 总体思路和控制过程概述
前文4.1.4中提到，六步换向控制由于转子和定子磁场夹角无法一直保持在90°，故存在速度和扭矩波动波动问题。而磁场定向控制便可解决这一问题：让转子和定子磁场始终保持正交。这大大降低了系统响应的纹波，并使电机运行更加平稳。此外，还可以使用弱磁技术使电机以高于额定速度的速度运行。
我们知道，当转子和定子磁场夹角重合时，力矩为0；而当二者夹角逐渐增大到90°时，便可获得最大力矩：
那么如何保持二者磁场正交呢？
- 确定转子位置；
- 基于转子位置，确定定子磁场矢量的期望方向，使它与转子磁场正交；
- 对三相电流进行控制，使其产生所需的定子磁场矢量。
下图中紫色矢量为定子磁场矢量，而灰色矢量则指向与转子磁场相同的方向。我们期望紫色矢量领先灰色矢量90°。假设此时紫色矢量仅领先45°，而时序图上对应的相位波形亦超前45°。此时虽有助于产生力矩，但并非是我们想要的最大力矩。
接下来，我们将紫色矢量沿着两个正交轴进行分解（该过程即Clarke变换和Park变换）：沿着灰/蓝色矢量或转子磁场方向的轴称为直轴（d轴），而与直轴正交的另一轴称为交轴（q轴）。
此时，我们只需要强制直轴分量为零，而同时允许交轴分量增长，当直轴分量完全减小至零时，定子磁场矢量便于转子磁场矢量正好成90°：
那么这三相电流应如何变化以保持定子磁场与转子磁场正交呢？
下图中，红、绿、蓝仨矢量分别代表A相、B相和C相电流，三者合成的总矢量则为定子磁场矢量，用紫色矢量表示。灰色矢量仍表示为转子磁场方向。蓝色和黄色箭头则分别表示直轴和交轴方向：
强制直轴分量为零，同时允许交轴分量增长：
上文过程中，我们需要控制三相电流以便能控制电机的速度和扭矩，但是我们并不是直接控制三相电流，而是通过Clarke变换和Park变换将其直接转换为直轴和交轴电流。为什么这样捏？因为在FOC控制系统中，PID控制器很难控制交流信号。而Clarke变换和Park变换会将静止的定子参考坐标转换为旋转参考坐标，使我们不再需要直接控制交流电流，只需直接控制直轴和交轴电流即可。
从上文分析中可知，交轴电流Iq有助于产生扭矩，而直轴电流Id则不会产生任何扭矩，因此，为了获得最大扭矩，我们可以使用两个PI控制器：一个使Id归零，而另一个使Iq最大化。
由上分析，FOC控制过程可归纳如下（与上面动图搭配看）：
- 对三相电流采样得Ia、Ib、Ic（或记作IU、IV、IW）；
- 应用Clarke变换和Park变换将三相电流Ia、Ib、Ic转换为Iq、Id电流（Ia、Ib、Ic经Clarke变换得到Iα、Iβ，再经Park变换得到Iq、Id）；
- 将所得电流Iq、Id与期望值Iq_ref、Id_ref(由上分析知，Id_ref一般是0)进行比较计算，得出的误差作为PI控制器的输入；
- 由PI控制器输出电压Vq、Vd。此时电压仍为旋转坐标系中的变量，所以在将电压给到电机之前，需要将其转换为三相电压
- Vq、Vd经反Park变换得到Vα、Vβ，再经反Clarke变换或其他方式合成电压空间矢量，输入SVPWM模块进行调制，输出控制三相逆变器的MOS管开关的编码值，驱动电机；
- 循环上述过程。
4.3.4 技术关键点
大佬们已写得足够详尽，具体参阅：
- 知乎稚晖君【自制FOC驱动器】深入浅出讲解FOC算法与SVPWM技术
- 灯神3 FOC软件控制原理
- 三相电流采样
由于电机工作的电流一般很大，所以采样电阻的阻值非常小，甚至和导线的电阻接近了，因而实际的采样电路PCB设计的时候还有一些讲究，比如使用开尔文接法(Kelvin Connections)【可参阅知乎博文：开尔文接法在电力电子中的应用有哪些？】。根据基尔霍夫电流定律（KCL）（在任一时刻，流入节点的电流之和等于流出节点的电流之和：Ia+Ib+Ic=0），我们实际电路设计时可以不使用三个采样器，只需要两个就够了。
-
Clarke、Park变换
这部分灯哥解释和推导都非常非常清楚：3.1 克拉克变换 、3.3 帕克变换，笔者仅贴公式在此。
明显地，Ia、Ib、Ic三个基向量是非正交的：
将Ia、Ib、Ic的投影结果处理后列成矩阵形式，该式即Clarke变换的等辐形式：
又根据基尔霍夫电流定律，有ia+ib+ic=0，则可得：
通过Clarke变换减少一个维度，但是新的变量还是非线性的（正弦），Park变换的工作便是将它们线性化。
其中，Iq-Id坐标系随转子转动，d轴在此处设定为指向电机的N极，Iq-Id坐标系因转动而造成的与Iα-Iβ坐标系的差角θ，即称为电角度（由编码器实时给出）。通过简单几何推导（不会推可看Park变换和反Park变换的公式推导），可得：
- PID控制
- 电压空间矢量
- SVPWM
5 转子位置信息的获取
BLDC电机的控制是配合着转子（永磁体）的位置（角度）进行的，那如何获知控制所需的转子的位置信息？一般有有传感器和无传感器两种方案：
- 有传感器方案一般采用霍尔元件、光栅编码器、转速反馈频率信号（FG trace）、旋转变压器(Resolver）等方式。
| 电机类型 | 传感器种类 | 主要用途 | 特征 |
|---|---|---|---|
| BLDC | 霍尔效应传感器 | 梯形波、120度通电控制 | 每60度获取一次信号，价格较低，不耐热。 |
| PMSM | 光电编码器 | 正弦波控制、矢量控制 | 有增量型（可得知原位置开始的移动距离）和绝对型（可得知当前位置的角度）两种。 分辨率高，但抗震性、防尘能力较弱，成本较高。 |
| 转角传感器 | 正弦波控制、矢量控制 | 分辨率高，适用于恶劣环境。 |
- 而无传感器方案一般采用反电动势检测等方式。
5.1 霍尔传感器
霍尔传感器在N极靠近时输出高电平、S极靠近时输出低电平：
霍尔传感器并不会提供转子在扇区内的精确位置，但可以检测转子何时从一个扇区过渡到另一个扇区。以单相无刷电机为例，每当转子转过90度，霍尔信号输出电平交换一次。旋转一周则改变4次。
一般采用加装霍尔元件的方法，来防止在临界位置时电平紊乱输出的干扰：
多数BLDC电机在其非驱动端上的定子中嵌入了三个霍尔传感器。根据这三个霍尔传感器信号的组合，就能决定换向的精确顺序。每次换向，都有一个绕组连到控制电源的正极，第二个绕组连到负极，第三个处于失电状态。其中，绕组加电的顺序由六步换向定义。下图为三个60°间距霍尔传感器输出的高低电平波形及实际安装位置：
或采用120°间距排布：
各相定子电流I、转矩M与转角α的关系：
5.2 反电动势
在既定电机磁通量和绕组数固定的情况下，反电动势的幅度与电机的旋转速度成正比。当电机在控制模式下运转多个换向周期直到获得一定速度后，无传感器测量便能够确定转子位置。无传感器控制的BLDC电机适合安装在难以检修的位置，或在多灰尘、多油的环境中运行，但不适合需要较低速度的应用，因为此时反电机势很小而难以测量（故其启动需要特殊方法），会造成工作效率不高。
一般监测未被驱动相的反电动势变化信息（过零点信息）推算转子角度：
若三相均被驱动，则综合电压电流信息来估算反电势波形，通过过零点信息估计转子位置。
基于反电动势测量转子位置的控制器，在启动时会面临额外的挑战：转子静止时不会产生反电动势（只有当转子磁场切割定子线圈时才会产生反电动势）。目前经常采用的启动方法为“三段式”启动。一般来说，三段式启动包括定位、加速、切换三个过程。
6 系统设计（待更新）
