掌握基礎原理，對于從三相無刷直流（BLDC）電機中榨取更高效率、更平穩運動以及更大扭矩至關重要。

無刷直流電機（也常簡稱無刷電機或 BLDC 電機）廣泛應用于高可靠性、高性能運動控制場合。它不使用會產生粉塵并磨損的機械電刷，而是采用電子換向。無刷電機的優勢在于高扭矩輸出、高轉速以及無刷運行；但其主要缺點是成本高于有刷直流電機或步進電機。

無刷電機主要分為兩大類：旋轉式無刷電機與直線式無刷電機。旋轉式電機還可進一步細分，主要按內轉子 / 外轉子結構，以及軸向磁通 / 徑向磁通設計來區分。內轉子無刷電機又分為內置永磁（IPM）型與表貼永磁型。最后，鐵芯結構還可分為有槽無刷電機與無槽無刷電機。

這些結構差異大多對電機控制方法影響不大，但會顯著影響關鍵性能指標，包括扭矩重量比、運行平順性、最大加速度與最高轉速。

三相無刷電機在定位電機選型中處于什么位置？

圖 1 通過兩張圖表對比了各類電機在兩項關鍵性能指標上的表現：功率重量比與扭矩重量比。對特定應用而言，通常其中一項指標更為關鍵，而二者實際上相互關聯，因為功率的定義就是扭矩乘以轉速。

圖 1 展示了有刷直流電機、步進電機與無刷直流電機的扭矩重量比和功率重量比對比。

無刷直流電機中的磁路原理

理解電機內部工作方式與扭矩產生機理，是掌握各類無刷電機控制技術的基礎。圖 2 為沿電機旋轉軸觀察并投影至 XY 平面的無刷電機轉子與定子磁場示意圖。

圖 2 為三相無刷電機的轉子與定子磁場矢量。

扭矩由轉子永磁體與定子繞組產生的磁場相互作用生成。定子各相繞組（圖 2 中標為 A、B、C 相）各自產生磁場矢量，彼此相差 120°，這些獨立矢量被稱為繞組電流空間矢量。

由于共用同一鐵芯，定子磁場的合成方向可視為三個繞組矢量之和，這一合成矢量稱為定子電流空間矢量。

圖 2 中心的綠色磁體為轉子，可看作一個簡單的條形磁鐵，具有 N 極與 S 極。根據定子繞組的驅動方式，產生的力可與轉子磁場方向垂直，也可與之平行，這兩種力分別稱為交軸（Q）力與直軸（D）力。

定子繞組產生的三個磁場如何合成為單一的定子電流空間矢量？答案是：定子合成矢量的方向與幅值等于各相繞組電流空間矢量之和（圖 3）。Ia、Ib、Ic 分別為 A、B、C 相繞組中電流產生的磁場。

圖 3 為 A、B、C 三相繞組矢量疊加形成定子電流空間矢量。

這三個互差 120° 的磁矢量因繞組電流不同而幅值各異。例如：Ia = 3.4 A，Ib = 1.0 A，Ic = 4.4 A。它們在 XY 平面內首尾相接，最終形成圖 3 中綠色所示的定子合成磁矢量。

當轉子磁場與定子磁場夾角為 **90°（垂直）** 時，產生旋轉的交軸（Q）力最大，不產生旋轉的直軸（D）力為零。反之，若二者平行，則 Q 力為零，D 力最大。只有垂直的 Q 力能產生有效旋轉扭矩，平行的 D 力僅會擠壓轉子，不產生任何旋轉扭矩。

為獲得最大扭矩，控制器會調整定子矢量角度，使其始終與轉子磁場角度垂直。這一過程稱為換向：控制器通過電機位置傳感器獲取轉子位置信號，隨轉子旋轉實時調整定子磁場角度。后續文章將詳細講解換向相關內容。

電機極對數在無刷電機中的重要性

無刷電機結構的一個關鍵參數是電機極數。無刷電機的繞組設計可實現：

• 機械旋轉 360° 對應電角度旋轉 360°；

• 或對應兩次 360° 電角度旋轉；

• 甚至對應多次電角度旋轉。

此處 360° 電角度指定子磁場角度完成一周旋轉。

機械旋轉一周對應定子磁場旋轉一周的為兩極電機（一對 N/S 極），也稱為一對極電機。機械一周對應兩次電角度周期的為四極電機。無刷電機極數通常為 2、4、6、12 等偶數，極對數始終為極數的一半。

不同極數的優缺點

總體而言：極數越高，扭矩越大，但最高轉速越低。在其他條件相同的情況下，這是極數差異帶來的主要性能影響。

旋轉式與直線式無刷電機的區別

前文主要討論旋轉電機，但上述所有原理同樣適用于直線無刷電機。

直線無刷電機結構如何？圖 4 對比了旋轉電機與直線電機。直線無刷電機本質上就是 “展開” 的旋轉電機，二者均有帶線圈的定子和帶永磁體的轉子。

圖 4 為旋轉電機與直線無刷直流電機的結構布局對比。

注：在直線電機中 “轉子” 這一叫法并不準確，因為它并不旋轉，但目前行業內仍通用這一術語。

從定子角度控制來看，直線電機與旋轉無刷電機原理一致，均通過換向控制定子繞組矢量角度，以最大化有效 Q 力、最小化無效 D 力。

直線無刷電機有兩種典型結構：

1. 定子（帶線圈）固定，轉子（帶磁體）運動；

2. 定子運動，磁軌轉子固定（圖 5、圖 6）。

直線無刷電機還有一種桿式結構：磁棒內置交替 N/S 極磁體作為轉子，可動子（定子）沿桿運動（圖 7）。

圖5

圖6

圖7

無論哪種結構，直線無刷電機都適用于高可靠性、快速響應的應用。雖然比滾珠絲杠、齒輪等旋轉轉直線執行器昂貴得多，但其定位精度顯著更高，因為機械轉換機構不可避免會帶來間隙與柔性變形，降低定位精度。

推動直線無刷電機普及的因素之一是高分辨率編碼器成本下降。正弦 / 余弦編碼器、BiSS-C 串行編碼器等新型編碼器結合先進信號處理電路，可讓直線平臺與 XY 平臺實現納米級甚至皮米級定位分辨率。

無刷電機控制器的基本組成

在對無刷電機完成整體介紹后，我們進入本系列核心主題：如何控制無刷電機。

無刷電機屬于多相器件，定子中多組線圈依次通電以產生旋轉。圖 8 為三相無刷電機控制器的整體架構。

圖 8 為無刷控制系統的控制流程圖，包含軌跡生成、換向、電流控制與功率放大。

大多數無刷電機控制器包含以下核心模塊：

1. 軌跡規劃：可由控制器內部生成或通過網絡外部給定，運動軌跡依應用而定，直接影響系統吞吐量與機械振動。

2. 位置 / 速度閉環：位置控制應用使用位置環，減小指令位置與實際位置誤差；僅需速度控制的應用則使用速度環。二者輸出均為目標電流指令，對應電機目標扭矩。

3. 換向：將總目標電流分配至三相繞組，不同換向方式取決于傳感器類型、效率與平順性要求。

4. 電流閉環：檢測每相繞組實際電流，調節輸出電壓使電流跟蹤指令。

5. 功率放大：向繞組施加電壓指令?，F代放大器多采用基于 PWM 的開關橋結構，效率高且易于控制；在對電磁干擾（EMI）要求極低的場合，仍會使用線性功放。

該架構存在多種變體：部分控制器不使用主動電流控制，非定位場合可完全省略位置傳感器，即無傳感器控制。

本系列下一部分將詳細拆解上述運動控制器各模塊的工作原理。