在日常生活中，小到電動玩具，大到電動汽車，永磁電機的身影可以說是無處不在。有刷直流電機、無刷直流電機、永磁同步電機由于其結構和輸出特定的不同也被應用到不同的場合。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和無刷直流電機，而永磁同步電機主要應用在高精度的工業(yè)伺服和電動汽車領域。本文就從電機的結構和控制方面，對這幾種常見的永磁電機做簡單的梳理和歸納。

1、有刷直流電機和無刷直流電機

有刷直流電機是結構和控制最簡單的直流電機，電機主要依靠電刷進行電流換向。使用一個電磁繼電器或者半導體開關即可對其進行啟停控制；如果有正反轉要求，則需要4顆半導體開關器件構成H橋的形式進行 正反電流的控制 。使用半導體開關可以很方便的實現(xiàn)有刷電機的調速（通過控制PWM的占空比進行調節(jié)），因此基本上現(xiàn)在對于有刷電機都是采用功率MOSFET進行調速和控制。

圖1.1 有刷直流電機及其控制

有刷電機的電刷是一個易損件，因此有刷電機的 使用壽命有限 ，并且碳刷換向過程中釋放出電火花無法應用在類似煤礦、油田這類具有易燃易爆物質的場景中。無刷直流電機（BLDC）的出現(xiàn)得益于開關半導體和電機控制芯片的發(fā)展，無刷直流電機取消的電刷換向，而使用功率半導體進行換向，驅動拓撲幾乎都是三相兩電平的結構，也就是我們常說的三相橋。（ 更多的電機控制拓撲，關注我！后續(xù)帶你探討！ ）通過控制三相橋的導通時序和方向，產(chǎn)生牽引轉子永磁體的磁場，在三相橋的切換過程中能夠保持定子磁場和轉子磁場一個相對比較穩(wěn)定的位置（90°±30°），如圖1.2所示。關于定子磁場如何根據(jù)轉子進行旋轉的，推薦閱讀：【無中生有】旋轉磁場的誕生

圖1.2 無刷直流電機的控制扇區(qū)

2、無刷電機結構和反電動勢的波形

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

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

那么是什么導致這兩種電機的反電動勢波形的不同呢？反電動勢波形的控制屬于電機設計過程中的關鍵，電機的定子排布和轉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的結構差異。無刷直流電機的結構相對比較簡單，定子線圈大多采用圖2.1左所示的集中式繞組結構，該結構工藝簡單，成本低廉，是應用范圍最廣的BLDC定子結構。而永磁同步電機的定子繞組更加 “分布、均勻” ，直覺上來看PMSM運行應該更加安靜、順滑。

圖2.2 BLDC 和 PMSM定子線圈結構

3、 Six-Step和 FOC控制

對于BLDC和PMSM在電機控制上有一定的區(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構，通過控制PWM進行調速。但是如果我們稍微深入了解下控制的技術細節(jié)，就會發(fā)現(xiàn)這兩種電機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 知道轉子的位置 ，有了轉子的位置信息才能夠確定三相橋的開關狀態(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：可以在定子內嵌入邏輯霍爾 傳感器 ，檢測轉子磁鋼的位置進行直接的定位；也可以通過檢測反電動勢的換向點進行無傳感器的位置檢測。根據(jù)反饋的位置信息，進一步對BLDC的通電時序進行控制，如圖3.1所示。我們可以看到該控制方法關鍵在于：相與相之間兩兩導通，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，一般來講轉矩脈動和噪音都是比較大的，對于大功率，高性能的應用場合出現(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)生和轉子相對靜止的控制磁場，實現(xiàn)對PMSM的像素級控制。關鍵的關鍵就是對電機轉子的位置信息獲取，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定子旋轉過程中引起的數(shù)字編碼變化，從而解析轉子位置信息，一般應用在高精度的伺服系統(tǒng)中。
2. Hall磁編碼器：通過在電機軸的端部安裝的永磁體旋轉，引起Hall傳感器的磁感線變化，從而解析轉子位置信息，一般應用在中小功率泵類驅動系統(tǒng)中。
3. 旋轉變壓器：電機軸的旋轉引起旋轉變壓器感應電壓的變化，通過一定的解碼算法，從而解析轉子位置信息，一般應用在高可靠性、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，通過電機模型的建模計算出反電動勢的變化，從而解析出轉子的位置信息，該方法可靠性高，成本低，維護方便，也是電機控制最火熱的方向。筆者認為，該方案主要取代的是Hall編碼器的應用市場，對于高精度，高可靠性，快速動態(tài)性能的場合應用還是比較有限。

FOC的基礎磁場控制邏輯如圖3.2所示，依然使用最基礎的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。關于FOC控制，相關的研究、論文和實踐可以說是“汗牛充棟”，本文不展開進行具體控制策略。關注我，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

在小電機的應用中，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的轉矩脈動很大，電機功率小的應用還能忍受，電機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的角度進行更細的劃分，那么這個更細角度主要是靠：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芯片進行磁鋼位置檢測，也可以通過驅動的適當控制，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，檢測相電壓信號，從而獲得相電流的方向信息，進而找出相電流的過零點。 從相電流推斷反電動勢過零點 ，可以預見該方法的環(huán)路響應是比較慢的。

圖3.3 ELMOS 反電動勢過零預測

小結

本文簡述了常見的永磁電機的基本類型：有刷電機、無刷電機和永磁同步電機。分別從電機結構，反電動勢波形和控制方法上進行了比較，對其應用的場景和范圍進行了總結。

審核編輯：劉清