在日常生活中，小到電動玩具，大到電動汽車，永磁電機(jī)的身影可以說是無處不在。有刷直流電機(jī)、無刷直流電機(jī)、永磁同步電機(jī)由于其結(jié)構(gòu)和輸出特定的不同也被應(yīng)用到不同的場合。如果你經(jīng)常拆一些玩具和家電，就會看到大量的有刷直流電機(jī)和無刷直流電機(jī)，而永磁同步電機(jī)主要應(yīng)用在高精度的工業(yè)伺服和電動汽車領(lǐng)域。本文就從電機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制方面，對這幾種常見的永磁電機(jī)做簡單的梳理和歸納。

1、有刷直流電機(jī)和無刷直流電機(jī)

有刷直流電機(jī)是結(jié)構(gòu)和控制最簡單的直流電機(jī)，電機(jī)主要依靠電刷進(jìn)行電流換向。使用一個電磁繼電器或者半導(dǎo)體開關(guān)即可對其進(jìn)行啟?？刂?；如果有正反轉(zhuǎn)要求，則需要4顆半導(dǎo)體開關(guān)器件構(gòu)成H橋的形式進(jìn)行 正反電流的控制 。使用半導(dǎo)體開關(guān)可以很方便的實現(xiàn)有刷電機(jī)的調(diào)速（通過控制PWM的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)），因此基本上現(xiàn)在對于有刷電機(jī)都是采用功率MOSFET進(jìn)行調(diào)速和控制。

圖1.1 有刷直流電機(jī)及其控制

有刷電機(jī)的電刷是一個易損件，因此有刷電機(jī)的 使用壽命有限 ，并且碳刷換向過程中釋放出電火花無法應(yīng)用在類似煤礦、油田這類具有易燃易爆物質(zhì)的場景中。無刷直流電機(jī)（BLDC）的出現(xiàn)得益于開關(guān)半導(dǎo)體和電機(jī)控制芯片的發(fā)展，無刷直流電機(jī)取消的電刷換向，而使用功率半導(dǎo)體進(jìn)行換向，驅(qū)動拓?fù)鋷缀醵际?strong>三相兩電平的結(jié)構(gòu)，也就是我們常說的三相橋。（ 更多的電機(jī)控制拓?fù)?，關(guān)注我！后續(xù)帶你探討！ ）通過控制三相橋的導(dǎo)通時序和方向，產(chǎn)生牽引轉(zhuǎn)子永磁體的磁場，在三相橋的切換過程中能夠保持定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場一個相對比較穩(wěn)定的位置（90°±30°），如圖1.2所示。關(guān)于定子磁場如何根據(jù)轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的，推薦閱讀：【無中生有】旋轉(zhuǎn)磁場的誕生

圖1.2 無刷直流電機(jī)的控制扇區(qū)

2、無刷電機(jī)結(jié)構(gòu)和反電動勢的波形

無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子是含有永磁體的，那么這和我們經(jīng)常聽到的 永磁同步電機(jī)（PMSM） 有什么區(qū)別呢？拆文解字來看：“永磁”-兩種電機(jī)都是永磁電機(jī)；“同步”-無刷直流電機(jī)稍微有點不同步（定轉(zhuǎn)子夾角：90°±30°）。從字面意義上并不能完全區(qū)分這兩種電機(jī)的不同，實際上我們區(qū)分這兩種電機(jī)的主要依據(jù)是：電機(jī)的反電動勢波形！

如圖2.1所示，BLDC的反電動勢波形是“梯形波”，PSPM的反電動勢波形是“正弦波”。

圖2.1 BLDC 和PMSM反電動勢波形

那么是什么導(dǎo)致這兩種電機(jī)的反電動勢波形的不同呢？反電動勢波形的控制屬于電機(jī)設(shè)計過程中的關(guān)鍵，電機(jī)的定子排布和轉(zhuǎn)子的磁場排布都對最終的反電動勢波形產(chǎn)生影響，這里不展開討論。如圖2.2，我們大致感受下兩種電機(jī)的結(jié)構(gòu)差異。無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)相對比較簡單，定子線圈大多采用圖2.1左所示的集中式繞組結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)工藝簡單，成本低廉，是應(yīng)用范圍最廣的BLDC定子結(jié)構(gòu)。而永磁同步電機(jī)的定子繞組更加 “分布、均勻” ，直覺上來看PMSM運行應(yīng)該更加安靜、順滑。

圖2.2 BLDC 和 PMSM定子線圈結(jié)構(gòu)

3、 Six-Step和 FOC控制

對于BLDC和PMSM在電機(jī)控制上有一定的區(qū)別和聯(lián)系，從外面來看硬件差別不大，都是采用三相橋的結(jié)構(gòu)，通過控制PWM進(jìn)行調(diào)速。但是如果我們稍微深入了解下控制的技術(shù)細(xì)節(jié)，就會發(fā)現(xiàn)這兩種電機(jī)的控制策略和成本還是存在很大的區(qū)別。

3.1 六步控制Six-Step

不管是對BLDC還是對PMSM的控制，都需要 知道轉(zhuǎn)子的位置 ，有了轉(zhuǎn)子的位置信息才能夠確定三相橋的開關(guān)狀態(tài)，從而控制定子的磁場方向。由于BLDC的反電動勢是梯形波，存在這樣快速的 “換向點” ，因此檢測BLDC的位置相對來講是比較簡單：可以在定子內(nèi)嵌入邏輯霍爾 傳感器 ，檢測轉(zhuǎn)子磁鋼的位置進(jìn)行直接的定位；也可以通過檢測反電動勢的換向點進(jìn)行無傳感器的位置檢測。根據(jù)反饋的位置信息，進(jìn)一步對BLDC的通電時序進(jìn)行控制，如圖3.1所示。我們可以看到該控制方法關(guān)鍵在于：相與相之間兩兩導(dǎo)通，另外一個線圈不流過電流，可以作為反電動勢的檢測“傳感器”。該控制的本質(zhì)還是基于位置信息的通電邏輯控制，因此該控制方法對芯片的 要求極低 ，并且不需要額外的傳感器成本，因此是BLDC最主流的控制方案。但是該控制的顆粒度很大，一般來講轉(zhuǎn)矩脈動和噪音都是比較大的，對于大功率，高性能的應(yīng)用場合出現(xiàn)的頻率比較小。

圖3.1 六步換向示意圖

3.2 磁場定向控制FOC

磁場定向控制（FOC）的基本原理：通過 高精度的角度解析 ，產(chǎn)生和轉(zhuǎn)子相對靜止的控制磁場，實現(xiàn)對PMSM的像素級控制。關(guān)鍵的關(guān)鍵就是對電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息獲取，一般來講有如下幾種方案：

1. 位置編碼器：通過高精度的光柵感應(yīng)定子旋轉(zhuǎn)過程中引起的數(shù)字編碼變化，從而解析轉(zhuǎn)子位置信息，一般應(yīng)用在高精度的伺服系統(tǒng)中。
2. Hall磁編碼器：通過在電機(jī)軸的端部安裝的永磁體旋轉(zhuǎn)，引起Hall傳感器的磁感線變化，從而解析轉(zhuǎn)子位置信息，一般應(yīng)用在中小功率泵類驅(qū)動系統(tǒng)中。
3. 旋轉(zhuǎn)變壓器：電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)引起旋轉(zhuǎn)變壓器感應(yīng)電壓的變化，通過一定的解碼算法，從而解析轉(zhuǎn)子位置信息，一般應(yīng)用在高可靠性、高壽命的電動汽車系統(tǒng)中。
4. 觀測器位置算法：這是一種無位置傳感器的方法，通過電機(jī)模型的建模計算出反電動勢的變化，從而解析出轉(zhuǎn)子的位置信息，該方法可靠性高，成本低，維護(hù)方便，也是電機(jī)控制最火熱的方向。筆者認(rèn)為，該方案主要取代的是Hall編碼器的應(yīng)用市場，對于高精度，高可靠性，快速動態(tài)性能的場合應(yīng)用還是比較有限。

FOC的基礎(chǔ)磁場控制邏輯如圖3.2所示，依然使用最基礎(chǔ)的6扇區(qū)，但是和Six-Step 控制不同的是，三相橋都參與了磁場控制，并且可以通過矢量合成的方式可以做到任意角度的磁場控制。關(guān)于FOC控制，相關(guān)的研究、論文和實踐可以說是“汗牛充棟”，本文不展開進(jìn)行具體控制策略。關(guān)注我，后續(xù)我們有時間，繼續(xù)探索！

圖3.2 FOC的矢量合成示意圖

3.3 BLDC的類FOC控制

在小電機(jī)的應(yīng)用中，BLDC越來越廣泛，對其要控制要求也是越來越高： 既要低成本，也要靜謐性！ 我們知道Six-Step的轉(zhuǎn)矩脈動很大，電機(jī)功率小的應(yīng)用還能忍受，電機(jī)功率稍微到幾百瓦這個量級，噪音成為了產(chǎn)品的短板！因此，很多廠家也推出了類FOC的控制方案去控制BLDC，這類方案在 不增加系統(tǒng)成本得前提下 ，使BLDC運行的更安靜！

所謂類FOC，其實最主要的就是我們把BLDC的角度進(jìn)行更細(xì)的劃分，那么這個更細(xì)角度主要是靠：猜！通過反電動勢檢測，我們能夠檢測出60°的反電動勢換向點，那么在這個60°之間的角度，就要根據(jù)電機(jī)的運行速度和狀態(tài)去插值，從而產(chǎn)生類似的平穩(wěn)的“ 定向磁場 ”。

現(xiàn)在還有一個問題，就是三相都參與調(diào)制的情況下如何檢測反電動勢換向點？可以采用低成本數(shù)字Hall芯片進(jìn)行磁鋼位置檢測，也可以通過驅(qū)動的適當(dāng)控制，檢測反電動換向點。如圖3.3所示，是ELMOS所采用的一種的算法：就是在死區(qū)時間段內(nèi)，檢測相電壓信號，從而獲得相電流的方向信息，進(jìn)而找出相電流的過零點。 從相電流推斷反電動勢過零點 ，可以預(yù)見該方法的環(huán)路響應(yīng)是比較慢的。

圖3.3 ELMOS 反電動勢過零預(yù)測

小結(jié)

本文簡述了常見的永磁電機(jī)的基本類型：有刷電機(jī)、無刷電機(jī)和永磁同步電機(jī)。分別從電機(jī)結(jié)構(gòu)，反電動勢波形和控制方法上進(jìn)行了比較，對其應(yīng)用的場景和范圍進(jìn)行了總結(jié)。

審核編輯：劉清