1.介绍

什么是BLDC？

BLDC（Brushless Direct Current Motor，无刷直流电机）是一种采用电子换向替代传统机械电刷和换向器的直流电机，兼具直流电机的调速性能和交流电机的结构优势

在这之前我们先了解一般电机的分类以及直流有刷电机

直流有刷电机：

直流有刷电机（Brushed DC Motor）是一种通过机械电刷与换向器实现电流换向的直流电机，结构简单、控制方便，是最早普及的电机类型之一，广泛应用于玩具、小型家电、汽车雨刮器等低成本、低精度场景。

核心结构

定子：由永磁体（或励磁绕组）组成，提供固定磁场。
转子（电枢）：由铁芯、绕组和换向器组成，绕组通电后在磁场中受力转动。
电刷：通常为碳刷，与换向器滑动接触，将外部直流电引入转子绕组。

工作原理

外部直流电压通过电刷输入转子绕组，产生电流；
通电绕组在定子磁场中受电磁力形成转矩，驱动转子旋转；
转子转动时，换向器与电刷配合自动切换绕组电流方向，确保转矩方向不变，维持持续旋转

直流无刷电机：

直流无刷电机（Brushless DC Motor，简称 BLDC）是一种取消机械电刷和换向器，采用电子电路实现电流换向的直流电机，兼具高效率与高可靠性，广泛应用于无人机、家电、工业控制等领域。

核心结构

定子：由硅钢片和三相绕组组成，通入电流产生旋转磁场。
转子：内置永磁体（如钕铁硼），无需绕组和电刷，依赖定子磁场驱动旋转。
电子换向系统：由控制器（MCU）和逆变器（MOSFET/IGBT）组成，替代电刷实现电流换向，部分需霍尔传感器或无传感器算法检测转子位置。

工作原理

定子三相绕组通过逆变器通入电流，产生旋转磁场；
转子永磁体受磁场力驱动旋转，与定子磁场保持同步；
控制器根据转子位置实时切换绕组通电相序（电子换向），确保转矩持续输出。

结构分类

按结构可以把直流无刷电机分为：1.外转子直流无刷电机 2.内转子直流无刷电机

上面介绍了内转子结构的示意图，下面介绍外转子结构的示意图：

在介绍这两种结构的电机的区别之前，要先了解两个概念：

1.转动惯量

转动惯量（Moment of Inertia）是描述刚体绕轴转动时惯性大小的物理量，用符号J表示。其核心意义是：物体保持原有转动状态（匀速转动或静止）的抵抗能力。转动惯量越大，物体越难被加速或减速（类似平动中的质量）。它与物体的质量分布和转动轴位置相关：质量越大、质量分布离轴越远，转动惯量越大

圆柱状或圆盘状转动惯量计算公式：

m:物体质量 r:半径

2.扭矩

扭矩（Torque），也称为转矩，是使物体发生转动的作用力矩。

核心意义：描述力对物体绕轴旋转的 “转动效果”。扭矩越大，物体越容易被转动或加速旋转（类似平动中的力）。

它与作用力大小、力的作用点到旋转轴的距离（力臂）相关：力越大或力臂越长，扭矩越大（公式：扭矩 = 力 × 力臂）。

直流电机电磁转矩公式：

T：电机输出转矩（单位：N・m 等）
Kt：电机转矩常数（与电机设计、绕组参数相关，固定值）
I：电机电枢电流（单位：A ）

i. 内转子直流无刷电机：通常提供更高的转速和更好的动态响应
转子在内部：内转子电机的转子位于电机中心，通常固定在中间的轴上，而定子则围绕其外部。
高转速：内转子电机能够达到更高的转速，这是因为转子的转动惯量较小，启动和停止较快。
高动态性能：由于较小的转动惯量，内转子电机通常提供更好的动态性能，例如更快的加速和减速。
较好的散热：内转子电机通常有较好的散热性能，因为定子位于外部，更容易散发热量。
应用场景：由于其动态性能和高转速特性，广泛应用于需要精确控制的场合，例如小型风扇、高速泵和精密工具。

ii. 外转子直流无刷电机：提供更大的扭矩和更稳定的低速运行
转子在外部：外转子电机的转子是围绕定子外侧旋转的，这种设计通常呈现出一个较大的圆盘形状。
低转速、高扭矩：外转子电机由于转子的直径较大，可以在较低的转速下提供更高的扭矩。
稳定的转动：外转子电机的转子转动惯量较大，这使得它们在转动时更加稳定。
紧凑的设计：这种设计通常使电机的整体高度较低，但是在径向尺寸上更大。
应用场景：常见于需要高扭矩和低转速的应用中，如电动自行车、无人机、风扇、运动类机器人关节和一些工业应用中的旋转部件。

绕线方法

三相直流无刷电机含义：

一、名称含义拆解

“三相”：指电机的定子绕组采用三相设计U，V，W相（A、B、C 相），三相绕组在空间上互差 120° 电角度，通过按特定顺序通入电流，形成旋转磁场，驱动转子转动。这与三相交流电机的绕组布局类似，目的是实现平稳的转矩输出。
“直流”：指电机的供电方式为直流电（如电池、直流电源），但并非直接将直流电通入绕组，而是通过控制器将直流电逆变为三相交流电，间接为定子绕组供电。因此，它本质上是 “直流供电、交流运行” 的电机。
“无刷”：区别于传统有刷直流电机，其转子上没有电刷和换向器（这是有刷电机的易损部件），而是通过电子控制器和位置传感器（如霍尔传感器、编码器）实现 “电子换向”，从而避免了电刷磨损、火花干扰等问题。

二、核心构成

三相直流无刷电机主要由三部分组成：

定子：与交流电机类似，由硅钢片叠压而成，槽内嵌入对称的三相绕组（通常为星形或三角形连接），是产生旋转磁场的核心。
转子：由永磁体（如钕铁硼、 ferrite 磁体）组成，多为表面贴装或内置式结构，通过永磁体产生恒定磁场，在定子旋转磁场的作用下受力转动。
控制器与传感器：
控制器（逆变器）：将直流电转换为三相交流电，根据转子位置调整各相电流的通断顺序，实现电子换向。
位置传感器：实时检测转子位置（如霍尔传感器输出高低电平信号），为控制器提供换向时机的依据。

三、工作原理：电子换向驱动旋转

磁场相互作用：定子三相绕组通入交变电流后产生旋转磁场，转子永磁体的磁场与旋转磁场相互作用（同性相斥、异性相吸），带动转子跟随旋转磁场转动。
电子换向过程：
传感器检测转子当前位置（如某磁极正对 A 相绕组），将信号传给控制器。
控制器根据位置信号，按特定时序（如 A 相通电→B 相通电→C 相通电→A 相通电…）切换三相绕组的电流方向，使旋转磁场持续超前转子磁场一个角度，保证转子持续转动。
换向频率与电机转速成正比（转速越高，换向越频繁）。

三、接线：形成三相绕组

星形（Y）连接：A、B、C 三相的尾端接公共点（中性点），首端引出作为 A、B、C 相线。

三角形（Δ）连接：A 相首接 B 相尾，B 相首接 C 相尾，C 相首接 A 相尾，引出三个连接点作为相线。

六步换相

六步换相是三相无刷直流电机常用的一种换相方法。在这种方法中，电机的三相绕组（A、B、C）在每次换相中，两相通电，一相悬空，每个换相周期分为 6 个步骤，按照特定的换相逻辑依次激励各相绕组，从而产生定子旋转磁场，驱动电机转子旋转。以下是具体的换相过程：

第一步：电流从 A 相流入，B 相流出（记作：电流 AB），此时转子在磁场力作用下逆时针旋转至特定位置。
第二步：电流改为从 A 相流入，C 相流出（记作：电流 AC），转子继续逆时针旋转 60° 至新的位置。
第三步：电流变为从 B 相流入，C 相流出（记作：电流 BC），转子再次逆时针旋转 60°。
第四步：电流改成从 B 相流入，A 相流出（记作：电流 BA），转子又逆时针旋转 60°。
第五步：电流变为从 C 相流入，A 相流出（记作：电流 CA），转子继续逆时针旋转 60°。
第六步：电流改为从 C 相流入，B 相流出（记作：电流 CB），转子再逆时针旋转 60°，回到初始位置附近，完成一个完整的换相周期。

电机有两种旋转方向：顺时针旋转（CW），逆时针旋转（CCW）。如果想让电机顺时针转动，只需按照与逆时针转动相反的顺序调整电流方向，即 AB→CB→CA→BA→BC→AC→AB。为了确定换相时刻，通常需要通过霍尔传感器或其他位置传感器检测转子的位置，从而确保同步换相。

根据矢量合成的法则：

以V+W-举例：

同理，其余5种情况也都可以分别合成一个磁场方向，最后把矢量移动到中心点我们可以得到下面这张图：

电机参数介绍

1. 转速（RPM）
定义：单位是 “转 / 分钟（RPM，Revolutions Per Minute ）”，指电机转子 1 分钟能转多少圈，直接体现电机转得有多快。比如转速 3000RPM，就是转子 1 分钟转 3000 圈。
影响：转速越高，理论上能输出的 “速度型” 动力越猛（像无人机电机高转速能让螺旋桨快速转动产生升力），但也和电机扭矩等特性相互制约。
2. 转子磁极数
定义：把转子上 N 极（北极）和 S 极（南极）的数量加起来，就是磁极数。
关联：它和电机转速、转矩相关，磁极数越多，在相同输入下，电机转速往往越低，但能输出的转矩可能越大（类似 “力气大但跑得慢” ），常和极对数配合计算电机理论转速（公式里会用到）。
3. 转子极对数
定义：因为 1 个 N 极和 1 个 S 极算 “1 对”，所以极对数 = 转子磁极数 ÷2 。要是磁极数 14，极对数就是 7 。
作用：在计算电机同步转速（交流电机相关）等场景会用到，像公式 “同步转速 n = 60f /p（f 是电源频率，p 是极对数）”，能帮我们预判电机在理想状态下的转速上限。
4. 相电阻
定义：指电机某一相定子绕组两端的电阻大小。
意义：在 FOC（磁场定向控制）等算法里，搭建电机模型、推导控制公式时要用到它，能反映绕组导电时的 “阻力”，电阻过大，电机通电后发热会更严重，影响效率和寿命。
5. 相电感
定义：某一相定子绕组两端的电感大小。
意义：同样是 FOC 算法建模、公式推导的关键参数，电感体现了绕组 “储存磁场能量” 的能力，会影响电机电流变化速度、转矩响应快慢，对电机动态性能（比如突然加速、减速时的表现）影响大。
6. 反电动势常数（系数）
定义：单位是 “V/Krpm”，意思是电机每 “千转每分钟（Krpm，1Krpm = 1000RPM ）” 的转速下，产生的反电动势（电机转动时，绕组切割磁感线自己也会 “发电”，产生和输入电压反向的电动势）电压值。
用途：FOC 控制算法里计算磁链值会用到，它能反映电机 “发电反馈” 的特性，也间接和电机转速、电磁特性挂钩，选电机驱动器、设计控制策略时得考虑它。
7. 霍尔传感器安装角度
定义：是霍尔传感器安装时对应的电角度。
作用：霍尔传感器能检测转子位置，安装角度准不准，直接影响电机电子换向（无刷电机靠它感知转子位置来切换电流方向）是否精准，要是角度不对，电机可能转不稳、抖动甚至无法正常工作。
8. KV 值
定义：电机在 “无负载” 时，每增加 1 伏特（V ）电压，转速增加的转数（RPM ），公式是 “KV = 转速（RPM）÷ 电压（V）” 。比如 2000RPM 转速对应 24V 电压，KV 值就是 2000÷24≈83.3 。
特点：它体现电机 “对电压变化的转速响应”，KV 值越高，加相同电压，电机转速提升越猛（像高 KV 值的航模电机，给点电压就转得飞快），但通常低 KV 值电机能输出更大转矩，选电机时要结合需求（要速度还是要力气）。
9. 功率
定义：指电机的额定输出功率，也就是电机稳定工作时，能持续向外输出的 “动力大小” 。
关键：选电机时，得让设备需求功率≤电机额定功率，不然电机容易过载、发热损坏，它直接代表电机 “能干多大活” 的能力，和电压、电流等参数也能通过公式关联（比如直流电机功率 P = 电压 × 电流 × 效率，效率体现电能转机械能的损耗）。

三相H桥电路控制电机的旋转

N沟道MOS管

半导体基础知识回顾

N型半导体

在本征半导体（如硅、锗）中掺入少量五价元素（如磷、砷），形成以自由电子为多数载流子、空穴为少数载流子的半导体。因电子带负电（Negative），故称 N 型。导电性主要由自由电子定向移动决定。

P型半导体

在本征半导体中掺入少量三价元素（如硼、镓），形成以空穴为多数载流子、自由电子为少数载流子的半导体。因空穴可视为正电荷（Positive），故称 P 型。导电性主要由空穴定向移动（等效于正电荷移动）决定。

二者相结合就形成了PN结

单向导电性

当 PN 结外加正向电压（P 区接电源正极，N 区接电源负极）时，外电场与内电场方向相反，削弱了内电场，空间电荷区变窄，载流子的扩散运动增强，形成较大的正向电流，PN 结处于导通状态；当 PN 结外加反向电压（P 区接电源负极，N 区接电源正极）时，外电场与内电场方向相同，内电场增强，空间电荷区变宽，载流子的扩散运动难以进行，只有少数载流子形成的微小反向电流，PN 结处于截止状态。

三极管

三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种。

发射区与基区之间形成的PN结称为发射结，而集电区与基区形成的PN结称为集电结, 三条引线分别称为发射极e（Emitter）、基极b(Base)和集电极c(Collector)。

是一种控制电流的半导体器件，可把微弱信号放大成幅度值较大的电信号。

三极管有截止、放大、饱和三种工作状态，其状态由发射结和集电结的偏置电压决定，具体如下：

截止状态
条件：发射结反向偏置（发射极与基极间加反向电压），集电结反向偏置。
特点：基极电流≈0，集电极电流≈0，三极管相当于断开的开关，输出端近似等于电源电压（NPN 型）。
放大状态
条件：发射结正向偏置（发射极与基极间加正向电压，如硅管≥0.7V），集电结反向偏置。
特点：集电极电流与基极电流成正比例关系（Ic = β×Ib，β 为电流放大倍数），可实现电流、电压或功率的放大，常用于信号放大电路。
饱和状态
条件：发射结正向偏置，集电结正向偏置（基极电流过大，导致集电极与发射极间电压极低）。
特点：集电极电流达到最大值（不再随基极电流增大而增大），三极管相当于闭合的开关，输出端电压近似为 0（NPN 型），常用于开关电路。

输入输出特性曲线：

N沟道MOS管

将一个 P 型半导体挖 2 个凹槽，嵌入 N 型半导体，给 2 个 N 型半导体引出 2 个金属电极，为漏极和源极，漏极连接电源的正极，源极连接电源的负极，这个时候它是截止的，因为他们之间形成了 2 个二极管，而且方向相反，一个导通，另外一个就截止，所以此时 MOS 管是截止状态的。

在P区加一层二氧化硅绝缘层，在绝缘层上面制作一层金属板，加上金属板后整体构成了一个栅极，当我们给栅极接上电，这个时候金属板上就有电场，会吸引P区的电子聚集到绝缘层附近，当电子聚集的足够多时，就形成了N沟道

当把栅极的电压去掉，此时N沟道消失，MOS管截止

MOS 管的 2 个重要特性：

特性 1：MOS 管的栅极输入阻抗非常高，这是因为有二氧化硅绝缘层的存在。几乎完全做到了隔离，造成输入电阻能到上亿欧姆级别的。所以栅极输入几乎不取电流。所以我们说 MOS 管是一种压控型元件。

特性 2：MOS 管的栅极很容易被静电击穿，由于栅极输入阻抗很大，感应电荷很难释放，产生的高压很容易就把绝缘层击穿，造成 MOS 管永久损坏，击穿后会造成栅极和源极之间短路

MOS管的符号分析

体二极管

体二极管是 MOS 管（金属 - 氧化物 - 半导体场效应管）芯片内部天然形成的寄生二极管，又称 “体寄生二极管” 或 “内在二极管”。（电机换相时产生）

在 MOS 中原本衬底和源极、衬底和漏极都会形成 PN 节，所以每个这样的结构我们都可以看做是一个二极管，而且这种 PN 节自然形成的二极管，具有标准二极管的所有基本特性。但是因为要消除衬底与源极之间的电压差，让 MOS 管导通 / 截止特性更稳定，所以源极和衬底是短接在一起的，所以就剩漏极和源极一个 PN 节了。

作用：在电路中可作为续流二极管，如电机驱动、开关电源中，当 MOS 管截止时，为感性负载的反向电流提供通路，保护器件。但需注意其反向恢复速度较慢，高频场景需额外设计续流电路。

三相逆变桥的电路原理图分析

通过控制 6 个 MOS 管的开关逻辑（如六步换相），将直流电压逆变为三相交流电，可驱动三相电机（如无刷电机），采样电阻用于电流反馈，实现闭环控制。

我们可以把每个MOS管都看作一个开关：

此时，只需要控制开关就可以控制电机的旋转

我们通过KV值可以知道当两相之间的电压是最大值（24V）的时候，此时转速也是最大（满转）

那么我们只需要控制两相之间的电压就能够控制电机的转速了

比如要控制U,V之间的电压是12V，只需要设置占空比为50%即可，这里占空比和PWM的概念就不赘述了

转子的位置分析和霍尔传感器

因为在电机驱动当中，我们首先要知道转子当前的位置，我们才能确定H桥中MOS的导通关系来让转子动起来，所以要用到检测转子位置的传感器

霍尔传感器

金属或半导体薄片放置在磁感应强度为B的磁场（磁场方向垂直于薄片）中，当有电流I通过时，在垂直于电流I和磁场B的方向上将产生电压Uh，这种物理现象称为霍尔效应，该电压被称为霍尔电压。

霍尔传感器的分类

模拟类霍尔传感器：将霍尔电压通过运放电路放大后输出

数字类霍尔传感器：将磁信号转换为数字电信号输出，如图：

因为三相直流无刷电机内部安装有 U、V、W 三个数字型霍尔传感器，霍尔传感器可以检测到永磁体转子的磁场变化，所以我们可以通过霍尔传感器的输出值来确定电机内部转子的实时位置。只有检测到转子的实时位置，才能让定子绕组通过六步换相产生磁场吸引转子的旋转。

霍尔传感器安装位置

电角度和机械角度

机械角度：指的是电机转子在物理空间上旋转的角度，以圆周为 360° 来计量，是从机械运动的角度对转子位置的直观度量。比如一个普通的圆盘，它旋转一周，机械角度就是 360°，无论这个圆盘是否是电机的转子，机械角度的计量方式都是基于实际的空间旋转。
电角度：基于电机磁场的周期性变化来定义，把电机磁场变化一个周期所对应的角度定义为 360° 电角度。在电机中，磁场的分布和变化与电机的极对数密切相关，电角度用于描述电机磁场的状态和位置，反映了电机内部电磁关系的变化。

计算公式

电角度 = 机械角度 × 极对数