～什么是无刷无刷电机驱动器～

本文将从技术角度出发，对三相无刷电机的电机电机驱动器的作用、種類和規(guī)格進(jìn)行介紹。驱动器WhatsApp%E3%80%90+86%2015855158769%E3%80%91crane%20rental%20service%20inc通過(guò)本文，基礎(chǔ)您可以學(xué)習(xí)到电机驱动器選型所需的知識(shí)基礎(chǔ)知識(shí)。

“什么是無(wú)刷无刷电机驱动器”面向的是那些“想要嘗試使三相无刷电机運(yùn)轉(zhuǎn)”以及想要了解“电机驱动器是什么？”的电机初學(xué)者，介紹使无刷电机運(yùn)轉(zhuǎn)所需的电机电机驱动器究竟是什么、有哪些種類及其各自的驱动器特點(diǎn)等电机驱动器的基礎(chǔ)知識(shí)。

本文所介紹的基礎(chǔ)是在選擇和使用电机驱动器時(shí)需要預(yù)先掌握的知識(shí)，推薦那些為了理解电机驱动器的知識(shí)特點(diǎn)和規(guī)格而想要學(xué)習(xí)所需基礎(chǔ)知識(shí)的讀者閱讀。另外，無(wú)刷如果想了解电机轉(zhuǎn)動(dòng)的电机原理或者為了使其轉(zhuǎn)動(dòng)需要做什么等电机的基礎(chǔ)知識(shí)，請(qǐng)先參閱本文所在的驱动器“Sugiken老師的电机圖書(shū)館”中的另一篇文章“初識(shí)电机”。

“什么是基礎(chǔ)无刷电机驱动器”的内容

對(duì)三相无刷电机的要求

电机驱动器的作用

电机驱动器的結(jié)構(gòu)（形態(tài)）

控制器（通电波形）

控制器（位置检测和控制功能）

功率晶体管

栅极驱动器

用途和特点

电机驱动器示例

最后

下面，首先介紹一下“對(duì)三相无刷电机的知識(shí)要求”。

對(duì)三相无刷电机的要求

电机被用于驅(qū)動(dòng)從工業(yè)領(lǐng)域到車載、家電、玩具等領(lǐng)域的各種產(chǎn)品。因此，电机通常需要滿足“效率”、“振动噪声”、“控制性和易用性”、“可靠性”和“成本”等方面的要求。本文所討論的三相无刷电机（以下簡(jiǎn)稱“无刷电机”或“电机”）能夠全面且高水平地滿足這些要求，因此近年來(lái)得到了廣泛應(yīng)用。

下面对这些要求进行逐一介绍。

效率

這里的效率是指电机輸出相對(duì)于輸入（功率）的比例。高效率电机可以說(shuō)是一種損耗較小、有助于實(shí)現(xiàn)節(jié)能的电机。

振动噪声

如果电机產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩存在脈動(dòng)，就會(huì)引起振動(dòng)。當(dāng)該振動(dòng)傳遞到电机的配套設(shè)備上時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生噪聲。另外，电机本身也可能發(fā)出聲音。對(duì)于要求靜音性能的設(shè)備，通常會(huì)配備低振動(dòng)、低噪聲的电机。

控制性和易用性

這里的控制性是指對(duì)目標(biāo)旋轉(zhuǎn)工作和轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)的便捷性、響應(yīng)敏捷性以及對(duì)指令的跟隨能力。电机不僅要能轉(zhuǎn)動(dòng)，還需要控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。另外，其控制的指令的易操作性、自動(dòng)化程度、變動(dòng)范圍等，將电机安裝到設(shè)備時(shí)的簡(jiǎn)便性也備受關(guān)注。

可靠性

可靠性要求电机不易損壞、特性不發(fā)生變化、不發(fā)生誤動(dòng)作，也不會(huì)危險(xiǎn)運(yùn)行。對(duì)于电气噪聲和電磁噪聲，不僅需要电机具備承受噪聲時(shí)的耐受能力，而且其發(fā)出的噪聲也必須在容許范圍內(nèi)。

成本

成本是指原材料費(fèi)用和零部件價(jià)格，而減少材料用量和零部件數(shù)量也是關(guān)乎環(huán)保措施的重要考量。

电机的設(shè)計(jì)需滿足其配套設(shè)備的性能要求。但是，若要使包括成本和資源在內(nèi)的所有項(xiàng)目都達(dá)到非常高的水平是很困難的，或者也可以說(shuō)是性能過(guò)剩。通常，性能要求是有優(yōu)先級(jí)的，并且該順序會(huì)根據(jù)配套設(shè)備的不同而有所變化。因此，設(shè)計(jì)人員需要在掌握包括电机在內(nèi)的整個(gè)配套設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。

电机的性能是由机械性能（這里指由磁鐵和鐵芯等材料和結(jié)構(gòu)決定的电机性能）和控制性能（由电机驱动器的功能和特性決定的电机性能）兩者共同決定的。电机驱动器之所以存在多種類型，可以說(shuō)是因?yàn)?#30005;机驱动器會(huì)影響电机特性，并且在進(jìn)行整體設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)其要求也會(huì)發(fā)生變化。

接下來(lái)我們將在上述内容的基礎(chǔ)上，介紹电机驱动器的作用。

电机驱动器的作用

无刷电机是通過(guò)電路對(duì)線圈施加電壓或电流来生成基于线圈（电磁铁）的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的，因此是一種必須使用電路（电机驱动器）的电机。

这种旋转磁场的WhatsApp%E3%80%90+86%2015855158769%E3%80%91crane%20rental%20service%20inc生成是最基本的工作。除此之外，电机還要求具備下圖所示的性能和功能。

為了實(shí)現(xiàn)這些性能和功能，电机驱动器承擔(dān)著如下所述的作用。电机驱动器能夠自由調(diào)節(jié)輸出的電壓值，利用這一性能，不僅可以進(jìn)行电机的輸出調(diào)節(jié)，還可以通過(guò)抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)提升靜音性能、通過(guò)調(diào)整電壓施加時(shí)序來(lái)減少損耗以高效獲取轉(zhuǎn)矩的控制、抑制旋轉(zhuǎn)波動(dòng)的轉(zhuǎn)速控制以及支持在無(wú)法安裝位置傳感器的環(huán)境下的無(wú)傳感器控制等。

上述作用僅為部分示例。此外，實(shí)現(xiàn)這些作用的手段也多種多樣。因此，在選擇电机驱动器時(shí)，需要同時(shí)了解所需的功能及其實(shí)現(xiàn)方法。

接下來(lái)，我們將介紹承擔(dān)這些作用的电机驱动器的電路結(jié)構(gòu)。

电机驱动器的結(jié)構(gòu)（形態(tài)）

电机驱动器的基本電路結(jié)構(gòu)如下圖所示。电机驱动器向电机線圈供電的作用是通過(guò)名為“功率晶体管”的電子器件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。功率晶体管是指能夠處理較大功率的晶体管。下圖展示的是N溝道MOSFET的电路符号，但有时也会使用P沟道MOSFET、IGBT（N溝道或P溝道）或雙極晶体管（PNP或NPN）。該功率晶体管連接电源，起到电气開(kāi)關(guān)的作用。與电源正極相連的功率晶体管被稱為“上臂晶体管”或“高邊晶体管”等。與負(fù)極（接地端或Gnd端）相連的功率晶体管被稱為“下臂晶体管”或“低邊晶体管”等。通過(guò)高邊和低邊晶体管的任意一個(gè)導(dǎo)通，來(lái)決定施加到線圈上的電位。三相无刷电机通常使用3對(duì)（共6個(gè)）功率晶体管。

負(fù)責(zé)控制這些功率晶体管導(dǎo)通和關(guān)斷的是控制器。通常采用IC（集成电路：Integrated Circuit，此處指不使用軟件的控制器）或微控制器（Microcontroller，此處指使用軟件的控制器）。控制器在考慮轉(zhuǎn)子位置和從外部來(lái)的指令的同時(shí)，決定施加給線圈的電壓，并生成功率晶体管的導(dǎo)通和關(guān)斷指令信号（下图是使用霍尔元件确定转子位置时的电路示意图，霍尔元件安装在能够检测转子磁通量的位置）。

除了這些電路之外，還會(huì)使用連接控制器和功率晶体管的柵極驱动器。柵極驱动器的主要作用是將來(lái)自控制器的指令信号的電位和極性，轉(zhuǎn)換為足以使功率晶体管工作的電位、極性和电流量。
这些电路的详细说明将在后文阐述。

這些電路模塊以下表所示的單一功能或復(fù)合功能的形式被集成到IC中。因此，电机驱动器就是由其中一個(gè)或多個(gè)IC組合而成的。

组合方式需要从易用性、设计变更的灵活性、封装尺寸、电路板上的布线数量（难易程度）、外围電子元器件的數(shù)量、每個(gè)電路模塊的耐壓差異和溫升（散熱效果）等角度綜合考慮，因此，無(wú)法一概而論哪種組合方式更為優(yōu)越。關(guān)于下圖所示結(jié)構(gòu)示例的特點(diǎn)，請(qǐng)參閱本文所在的“Sugiken老師的电机圖書(shū)館”中的另一篇文章“Sugiken老師的电机驱动器課堂”的“第10集 电机驱动器的結(jié)構(gòu)”。

這里先介紹一下施加在电机驱动器各電路模塊上的電壓。首先，施加于无刷电机線圈上的電壓會(huì)受到电机机械模塊特性的影響。有的电机僅需低至3.3V的電壓，有的則需要高達(dá)340V以上的電壓。為了在線圈上施加該電壓，功率晶体管需要具備更高的耐壓。

驅(qū)動(dòng)該功率晶体管的柵極驱动器電路，會(huì)承受與功率晶体管同等或更高的電壓。例如，為了使高邊的N溝道MOSFET導(dǎo)通，需要比施加在功率晶体管上的電壓更高的電壓。

與上述兩個(gè)電路模塊不同，控制器不依賴于电机特性，且通常在相對(duì)較低的電壓下使用。

基于以上原因，施加到电机驱动器上的电源電壓，有時(shí)會(huì)使用高電壓和低电压兩個(gè)系統(tǒng)，有時(shí)也會(huì)僅使用一個(gè)相對(duì)較低的電壓系統(tǒng)。這種電壓差異也是判斷電路模塊的結(jié)構(gòu)（是采用一體化封裝還是多個(gè)元器件组合）的依据之一。

另外，施加在电机線圈上的電壓大小是綜合考慮配套設(shè)備的电源環(huán)境、功率轉(zhuǎn)換效率、線路的容許电流、电机特性和可靠性等因素進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

下面介绍一下各个电路模块规格的主要特点。

控制器（通电波形）

无刷电机的电机驱动器中，通電波形是需要關(guān)注的規(guī)格之一。這里的通電波形是指施加在線圈上的電壓波形。无刷电机通過(guò)這個(gè)施加的電壓使線圈中流過(guò)电流，并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的工作會(huì)影響电机的輸出轉(zhuǎn)矩，因此通電波形可以說(shuō)是一項(xiàng)非常重要的規(guī)格。該通電波形是由控制器生成指令，并通過(guò)導(dǎo)通和關(guān)斷功率晶体管而產(chǎn)生的。因此，配備了控制器模塊的电机驱动器器件會(huì)標(biāo)明通電波形的規(guī)格。

下圖展示了电机驱动器的基本通電波形。

120度通电是指将通电模式的一个周期设为360度时，在120度的区间内高边导通或低边导通，在60度（两处）处于关断状态的通电波形。有时也被称为“120度矩形波”。从控制电路的角度来看，这种通电波形生成相对简单，但输出转矩存在脉动。

150度通電是指在150度的區(qū)間內(nèi)高邊導(dǎo)通或低邊導(dǎo)通，在30度（兩處）處于關(guān)斷狀態(tài)的通電波形。有時(shí)也被稱為“廣角通電”。這種通電波形的控制电路比較復(fù)雜，但比下述的正弦波通電更易生成，并且具有能夠抑制輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的特點(diǎn)。此外，為了進(jìn)一步抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，也有不采用單純的矩形（方形）而改變形狀的通電波形。這種波形有時(shí)也被稱為“梯形波通電”等其他名稱。

正弦波通電呈正弦波形狀。有時(shí)被稱為“180度通電”，但可能與180度矩形波（本文未詳述）混淆，因此需要確認(rèn)。這種通電波形的控制电路更為復(fù)雜，但电流波形為正弦波，理論上可以消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

這里介紹一下可稱為通電波形生成基礎(chǔ)技術(shù)的PWM控制。PWM控制稱為“脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation）”，是調(diào)節(jié)施加電壓的方法之一。通過(guò)調(diào)節(jié)規(guī)定時(shí)間內(nèi)高邊和低邊功率晶体管的導(dǎo)通和關(guān)斷比率，將期望比例的电源電壓作為平均電壓施加到線圈上。例如，規(guī)定時(shí)間設(shè)為50us，其中40us為高邊導(dǎo)通，10us為低邊導(dǎo)通，則平均電壓為80%。此外，高邊和低邊功率晶体管的導(dǎo)通和關(guān)斷工作有多種類型。有根據(jù)比率使高低邊互補(bǔ)導(dǎo)通的方式（一方導(dǎo)通則另一方關(guān)斷，但需設(shè)置死區(qū)時(shí)間），有僅導(dǎo)通和關(guān)斷高邊而低邊保持關(guān)斷的方式，以及相反的高邊保持關(guān)斷而僅導(dǎo)通和關(guān)斷低邊的。關(guān)于這些控制的特點(diǎn)，請(qǐng)參閱本文所在的“Sugiken老師的电机圖書(shū)館”內(nèi)的另一篇文章“电机相關(guān)術(shù)語(yǔ)集”中對(duì)“互補(bǔ)PWM”、“單邊PWM”、“死區(qū)時(shí)間”等術(shù)語(yǔ)的詳細(xì)解說(shuō)。

使用這種控制方法，可以在120度通電方式下調(diào)整施加電壓的大小。另外，若在360度的區(qū)間內(nèi)使比率呈正弦波規(guī)律變化，就可以實(shí)現(xiàn)正弦波通電（這也是正弦波通電的控制电路更為復(fù)雜的原因之一）。

上述正弦波通电的波形呈正弦波形状，但正弦波通电还有其他的通电波形。

下圖所示的雙相調(diào)制正弦波，是大多數(shù)正弦波通電規(guī)格的电机驱动器IC所采用的波形。圖中展示了施加到无刷电机U相和V相線圈的電壓波形，以及U-V相之間（線間）的電壓波形。雙相調(diào)制正弦波雖然每相的電壓不是正弦波，但線電壓為正弦波。與常規(guī)正弦波（純正弦波）相比，其特點(diǎn)是通過(guò)PWM控制使功率晶体管的開(kāi)關(guān)范圍較窄（降低開(kāi)關(guān)損耗），并且可以增大線間電壓的振幅（提高電壓利用率）。

對(duì)于正弦波通電，波形的分割數(shù)（分辨率）也是一項(xiàng)規(guī)格指標(biāo)。這里的分割數(shù)是指360度內(nèi)波形變化的次數(shù)（見(jiàn)下圖）。分割數(shù)越多，正弦波形越平滑，但控制电路也越復(fù)雜。此外，即使分割數(shù)很多，也無(wú)法生成超出前述PWM控制的每個(gè)脈沖所能實(shí)現(xiàn)的施加電壓比率的性能波形。

控制器（位置检测和控制功能）

用于无刷电机的控制器，因轉(zhuǎn)子位置检测方法、指令規(guī)格以及內(nèi)置控制功能等的不同而存在多種類型。本節(jié)將對(duì)以下項(xiàng)目進(jìn)行介紹。

位置检测

通常，控制器通過(guò)確定（考慮）轉(zhuǎn)子位置來(lái)生成通電波形。該轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)主要有兩種方法，一種是使用霍爾元件，另一種是檢測(cè)感應(yīng)電壓。后者由于不使用直接的位置检测傳感器，因此被稱為“無(wú)傳感器”。關(guān)于霍爾元件的工作，請(qǐng)參閱前述“电机相關(guān)術(shù)語(yǔ)集”中的“霍爾元件和霍爾IC”詞條。關(guān)于通過(guò)感應(yīng)電壓確定轉(zhuǎn)子位置，請(qǐng)參閱本文所在的“Sugiken老師的电机圖書(shū)館”中的另一篇文章“电机疑問(wèn)解答專區(qū)”的“為什么可以通過(guò)感應(yīng)電壓知道轉(zhuǎn)子的位置”一文。

由于該規(guī)格的差異，控制器的信号輸入引腳的數(shù)量會(huì)發(fā)生變化。下圖是引腳的示意圖。使用霍爾元件的控制器有6個(gè)或3個(gè)輸入引腳，無(wú)傳感器控制器則沒(méi)有用于輸入霍爾元件信号的引腳（有時(shí)會(huì)設(shè)有用于輸入电机線圈電壓的引腳作為替代）。

使用霍爾元件的控制器之所以有兩種，是因?yàn)槭褂昧嘶魻栐碾娮釉?#22120;件有兩種不同的類型。這里，我們將其中一種稱為“霍爾元件（作為電子元件的名稱）”，另一種稱為“霍爾IC”。

霍爾元件是一種將作為磁檢測(cè)元件的霍爾元件的輸入輸出直接當(dāng)作4個(gè)引腳進(jìn)行連接的電子元件。在下圖的①和③引腳間施加電壓使电流流過(guò)時(shí)，根據(jù)穿過(guò)IC的磁通量，在②和④引腳上會(huì)出現(xiàn)如圖所示的電壓。通常，在采用霍爾元件的控制器中，會(huì)將這兩個(gè)引腳的電壓差作為磁通量檢測(cè)結(jié)果使用。因此，這種規(guī)格的控制器為U、V、W各相均準(zhǔn)備了P和N兩個(gè)輸入引腳（見(jiàn)上圖）。

霍爾IC是將作為磁檢測(cè)元件的霍爾元件的輸出電壓，通過(guò)IC內(nèi)部電路進(jìn)行信号處理，使其輸出High和Low兩種電位的電子器件。由于輸出信号只有1個(gè)，因此采用霍爾IC規(guī)格的控制器的信号輸入引腳為3個(gè)。（霍爾元件和霍爾IC等名稱僅為示例，引腳名稱也可能采用數(shù)字或+/-，如H1+、H1-或H1、H2等）

使用霍爾元件（電子元件）規(guī)格的控制器，有時(shí)也支持使用霍爾IC。此時(shí)，在空著的輸入引腳上輸入基準(zhǔn)電壓（例如，如果向HUP輸入High電壓5V、Low電壓0V的霍爾IC信号，則向HUN輸入2.5V等）。但是，控制器引腳對(duì)輸入電壓范圍是有規(guī)定的，因此使用時(shí)需要進(jìn)行確認(rèn)。

另外，在采用霍爾元件的控制器中，也存在僅使用1個(gè)或2個(gè)霍爾元件的規(guī)格型號(hào)。

在無(wú)傳感器方式中，通過(guò)檢測(cè)感應(yīng)電壓的相位來(lái)確定轉(zhuǎn)子位置（雖然還存在其他無(wú)傳感器方法，但本文僅對(duì)感應(yīng)電壓檢測(cè)進(jìn)行說(shuō)明）。感應(yīng)電壓可以在电机處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)且目標(biāo)線圈沒(méi)有电流流過(guò)時(shí)，作為線圈引腳的電壓被檢測(cè)到。因此，如果線圈引腳本來(lái)就已經(jīng)連接到电机驱动器，則無(wú)需其他的信号輸入引腳。

對(duì)于采用檢測(cè)感應(yīng)電壓方式的無(wú)傳感器控制器，需要確認(rèn)以下兩種情況的規(guī)格：电机未旋轉(zhuǎn)時(shí)的應(yīng)對(duì)策略（未產(chǎn)生感應(yīng)電壓時(shí)的應(yīng)對(duì)），以及為了檢測(cè)感應(yīng)電壓必須使線圈电流為零的應(yīng)對(duì)策略。特別是前者的电机旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)方法和后者的正弦波通電時(shí)的通電波形均因控制器不同而有所差異，因此需要根據(jù)應(yīng)用需求選擇更合適的控制器。

另外，在正弦波通電的控制器中，有時(shí)會(huì)標(biāo)注名為“全正弦波”等的通電方式。這一表述是指相較于因檢測(cè)感應(yīng)電壓而導(dǎo)致正弦波波形畸變的無(wú)傳感器电机驱动器（控制器），這種控制器的通電波形能夠保持正弦波形狀而不產(chǎn)生畸變。

指令

控制器接收的指令信号包括輸出電壓大小、轉(zhuǎn)速等調(diào)整值的指令。該指令信号主要有3種規(guī)格，分別是模拟電壓、使用脈沖的High/Low比率（Duty）指令的脈沖信号和使用頻率（周期）指令的脈沖信号。以下對(duì)各個(gè)信号分別進(jìn)行介紹。

?模拟電壓指令

控制器接收電壓值作為指令。通常會(huì)設(shè)定指令電壓值的上限值和下限值，通過(guò)該設(shè)定值與指令電壓值的相對(duì)比較來(lái)決定指令信息。例如，上限值為5V、下限值為1V的規(guī)格情況下，將1V以下的指令視為0，5V以上的指令視為100（%），其間的值按比例決定。這種情況下，輸入3V則為50（%），輸入4V則為75（%）等。

如果這是輸出電壓大小的指令，那么通常驱动电路會(huì)在輸入3V時(shí)輸出50%的電壓，輸入4V時(shí)輸出75%的電壓。如果是轉(zhuǎn)速指令，則需要確認(rèn)控制器等的產(chǎn)品規(guī)格書(shū)中記載的指令值與轉(zhuǎn)速關(guān)系的特性數(shù)據(jù)（圖表等）后再使用。

?Duty脈沖指令

接收Duty脈沖作為指令。這里的Duty脈沖是指在下圖所示的一定頻率的脈沖信号中，High所占比例發(fā)生變化（High與Low的比率發(fā)生變化）的信号，該比率即為指令。識(shí)別信号High和Low的電壓電平（閾值）以及可輸入頻率的范圍需確認(rèn)所使用的控制器的產(chǎn)品規(guī)格書(shū)等。

如果這是輸出電壓大小的指令，那么通常指令的比率會(huì)直接反映出來(lái)。如果是轉(zhuǎn)速指令，則需要確認(rèn)控制器的產(chǎn)品規(guī)格書(shū)中記載的指令值與轉(zhuǎn)速關(guān)系的特性數(shù)據(jù)（圖表等）后再使用。

?頻率脈沖指令

接收頻率脈沖作為指令。這里的頻率脈沖是指在下圖所示的脈沖信号中頻率發(fā)生變化的信号，其頻率即為指令。有時(shí)會(huì)將該頻率轉(zhuǎn)換為0到100的指令，用作輸出電壓大小或轉(zhuǎn)速指令，但通常的控制方式是直接將此頻率脈沖指令與电机的轉(zhuǎn)速信息脈沖進(jìn)行比較。具體來(lái)說(shuō)，是將控制器生成的电机轉(zhuǎn)速信息信号（頻率根據(jù)电机轉(zhuǎn)速變化的信号，由霍爾元件信号等生成）與指令信号的頻率（周期）進(jìn)行比較，控制电机轉(zhuǎn)速使其與指令信号頻率一致的方式。要掌握指令信号頻率與實(shí)際电机轉(zhuǎn)速的關(guān)系，需要確認(rèn)控制器的產(chǎn)品規(guī)格書(shū)和电机的規(guī)格（極數(shù)等）。

除了这些之外，有时也使用数据通信作為指令。

控制功能

本節(jié)簡(jiǎn)單介紹一下控制器中配備的各種控制和功能。

?转速信息输出

在裝有电机的設(shè)備中，有些會(huì)利用电机的轉(zhuǎn)速信息來(lái)實(shí)現(xiàn)电机控制。對(duì)于這類設(shè)備，控制器會(huì)輸出名為“FG（Frequency Generator）”的信号作為轉(zhuǎn)速信息。

FG信号是一種頻率（周期）隨电机轉(zhuǎn)速而變化的信号。控制器通常輸出采用單個(gè)霍爾元件信号（見(jiàn)下圖）生成的信号（例1）或輸出對(duì)三個(gè)信号進(jìn)行處理后的信号（例2），也有些控制器可以在兩者之間進(jìn)行選擇。以此方式生成的FG信号，电机每旋轉(zhuǎn)一周的脈沖數(shù)會(huì)因其極數(shù)不同而不同。對(duì)于4極电机，每旋轉(zhuǎn)一周的脈沖數(shù)為2個(gè)或6個(gè)脈沖；而對(duì)于8極电机，則為4個(gè)或12個(gè)脈沖。

如果电机的配套設(shè)備所能應(yīng)對(duì)的电机每旋轉(zhuǎn)一周的脈沖數(shù)是固定的，那么要使用極數(shù)與此不匹配的电机，就需要設(shè)法改變FG信号的頻率。有些控制器還具備該信号頻率的轉(zhuǎn)換功能。

?保护功能

控制器具有保護(hù)电机驱动器和电机的功能。下表列舉了幾種保护功能的示例。這些功能用于檢測(cè)需要保護(hù)的狀態(tài)或異常狀態(tài)，并執(zhí)行關(guān)斷功率晶体管等工作。保护功能名稱有時(shí)會(huì)有不同的叫法，因此不能僅憑名稱來(lái)判斷，還需要了解其内容。

?旋转方向切换

在保持轉(zhuǎn)子位置检测用霍爾元件的安裝位置固定（不變）的情況下，改變电机旋轉(zhuǎn)方向的功能。即使輸入給控制器的霍爾元件信息（N極和S極）相同，只要切換旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)置，線圈產(chǎn)生的电磁铁的磁極就會(huì)發(fā)生變化，從而使电机產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩。這里雖以霍爾元件規(guī)格的工作為例進(jìn)行說(shuō)明，但無(wú)傳感器控制器中也有該功能。另外，實(shí)際电机是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)還是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，取決于線圈和电机驱动器的連接方式以及霍爾元件的安裝位置。

?超前角控制

无刷电机通過(guò)持續(xù)在與轉(zhuǎn)子位置對(duì)應(yīng)的合適角度產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（由电磁铁產(chǎn)生的磁場(chǎng)），以獲得更大轉(zhuǎn)矩。如果這個(gè)角度存在偏差，即使电磁铁大小相同，所能獲得的轉(zhuǎn)矩也會(huì)降低。這意味著輸出功率相對(duì)于輸入功率的下降，從而導(dǎo)致效率降低。因此，控制器通過(guò)確定轉(zhuǎn)子位置來(lái)調(diào)整施加在線圈上的電壓時(shí)序。

但是，在實(shí)際使电机轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于電樞反應(yīng)和線圈電感，會(huì)產(chǎn)生电流延遲。補(bǔ)償這種影響的功能就是超前角控制。由于該控制會(huì)使時(shí)序從初始的通電時(shí)序向比相位更超前的方向變化，因此被稱為“超前角”（使角度提前）。

這種因電樞反應(yīng)和電感引起的电流延遲，會(huì)隨电磁铁磁力的大小和电机轉(zhuǎn)速的不同而變化，因此通電時(shí)序的提前量也需要相應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。關(guān)于調(diào)整的規(guī)格，有多種方法。一種是控制器從外部接收超前角值指令的方法（直接指令）。此外，還有控制器利用轉(zhuǎn)速、電壓指令和电流大小等物理量來(lái)決定超前角值的方法（比例調(diào)整）。由于相對(duì)于物理量的更優(yōu)超前角值因电机而異，因此有些控制器支持比例系數(shù)的設(shè)定。另外，比例的形式除了簡(jiǎn)單的線性比例外，也有從某個(gè)值開(kāi)始改變比例系數(shù)，或進(jìn)行二次比例的情況。還有一些控制器無(wú)需這些繁瑣操作，能自動(dòng)進(jìn)行超前角調(diào)整（自動(dòng)調(diào)整）。要實(shí)現(xiàn)這種方法，需要檢測(cè)电流相位。

?速度控制

至此，我們主要介紹了电机驱动器（控制器）接收輸出電壓指令，并向电机線圈施加指定電壓的工作原理。另外，前文也提到通過(guò)輸出FG信号（轉(zhuǎn)速信息信号），使电机的配套設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，但部分电机驱动器的控制器內(nèi)置了該轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)功能。

此類控制器接收轉(zhuǎn)速指令后，會(huì)與电机的轉(zhuǎn)速信息進(jìn)行比較，并自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電壓。需要注意的是指令轉(zhuǎn)速可能存在上限值和下限值。

?待机

控制器在电机停轉(zhuǎn)時(shí)仍保持電路運(yùn)轉(zhuǎn)，以便接收指令并啟動(dòng)控制工作。此時(shí)，電路中仍有电流流過(guò)，消耗電力。為了降低這種待機(jī)時(shí)的功耗，有些控制器具有停止部分電路工作的功能。該功能被稱為“待機(jī)功能”、“降低待機(jī)功耗模式”或“節(jié)能功能”等。

?软启动

當(dāng)电机驱动器的工作及电机處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，如果接收到高電壓指令（如100%輸出電壓指令等），高電壓施加到線圈上會(huì)導(dǎo)致电流急劇開(kāi)始流動(dòng)。該电流的增加若引發(fā)過(guò)大轉(zhuǎn)矩，可能會(huì)產(chǎn)生噪聲和劇烈振動(dòng)。防止這種情況發(fā)生的正是軟啟動(dòng)。軟啟動(dòng)是在电机啟動(dòng)階段抑制电流急劇上升，使其逐漸增大的功能。

?短路制动

短路制動(dòng)是指在电机旋轉(zhuǎn)期間將線圈短路（电气連接），使生成負(fù)轉(zhuǎn)矩的电流流過(guò)的狀態(tài)。該功能通過(guò)導(dǎo)通所有高邊功率晶体管或所有低邊功率晶体管來(lái)使線圈短路。通常，與將所有功率晶体管關(guān)斷以停止电机驅(qū)動(dòng)相比，短路制動(dòng)能使电机更快停止旋轉(zhuǎn)。

下圖展示了轉(zhuǎn)子位于圖示位置的瞬間，線圈中流過(guò)的电流、电磁铁以及生成轉(zhuǎn)矩的方向。當(dāng)所有低邊功率晶体管導(dǎo)通時(shí)，會(huì)流過(guò)與正常驅(qū)動(dòng)方向相反的电流，电磁铁的極性也反轉(zhuǎn)，從而生成負(fù)轉(zhuǎn)矩（轉(zhuǎn)子停止旋轉(zhuǎn)方向上的轉(zhuǎn)矩）。

另外，關(guān)于短路制動(dòng)的更多信息，請(qǐng)參閱前述“电机相關(guān)術(shù)語(yǔ)集”中的“短路制動(dòng)”詞條。

至此我們介紹了與控制器相關(guān)的規(guī)格和功能。實(shí)際使用的控制器通常會(huì)配備上述部分規(guī)格和功能。在轉(zhuǎn)動(dòng)电机時(shí)，需要從這些控制器中選擇符合應(yīng)用需求的型號(hào)。

功率晶体管

在电机中，功率晶体管用于向線圈施加電壓并流過(guò)电流。因此，其指標(biāo)包括可施加的電壓、可流過(guò)的电流、流過(guò)电流時(shí)的損耗以及導(dǎo)通和關(guān)斷的開(kāi)關(guān)速度（SW速度）。

下圖是电机中常用的功率晶体管的種類和特點(diǎn)。雙極型（雙極結(jié)型晶体管）是一種通過(guò)使基極流過(guò)电流來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通狀態(tài)的电流驅(qū)動(dòng)型晶体管。導(dǎo)通狀態(tài)下的損耗包括VCE（集電極-發(fā)射極間的電壓）乘以集電極电流所得的功率和基極电流的功率。這是歷史悠久的基礎(chǔ)型晶体管，但由于無(wú)法進(jìn)行高速開(kāi)關(guān)，故不適用于PWM控制，近年來(lái)此類晶体管已經(jīng)很少被电机應(yīng)用采用。MOSFET是通過(guò)給柵極施加電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通的電壓驅(qū)動(dòng)型晶体管。其損耗為導(dǎo)通電阻（RON）乘以漏極电流的平方所得的功耗。該晶体管的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需持續(xù)向柵極提供电流且開(kāi)關(guān)速度快，缺點(diǎn)是當(dāng)漏極电流增大時(shí)，損耗會(huì)呈平方級(jí)增長(zhǎng)。IGBT是一種兼具雙極晶体管和MOSFET優(yōu)點(diǎn)的晶体管。由于是電壓驅(qū)動(dòng)，柵極电流消耗較低，損耗僅與电流的一次方成正比。缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)速度中等。

近年来，以RON×电流與VCE的大小關(guān)系為分界點(diǎn)，在小电流應(yīng)用中多采用MOSFET，而大电流應(yīng)用中則多選用IGBT。

接下來(lái)，我們以MOSFET為例說(shuō)明电机中功率晶体管的結(jié)構(gòu)。MOSFET有兩種規(guī)格，分別被稱為“N溝道（N型）”和“P溝道（P型）”。這兩者在原理上的區(qū)別可以說(shuō)是在于电流通過(guò)電子流動(dòng)還是通過(guò)空穴（Hole）流動(dòng)。由于這一差異，N溝道MOSFET的規(guī)格是相對(duì)于源極引腳（S），向柵極引腳（G）施加高于閾值的電壓來(lái)使MOSFET導(dǎo)通；而P溝道MOSFET的規(guī)格是相對(duì)于源極引腳，向柵極引腳施加低于閾值的電壓來(lái)使其導(dǎo)通。另外，如果要使N型和P型具有相同大小的載流特性，通常N型可做到比P型更小的尺寸。這也受是使用電子還是空穴的影響。

在无刷电机的电机驱动器中，低邊MOSFET通常采用N型。原因是低邊MOSFET的源極電位是Gnd（接地）電位，生成柵極指令電壓相對(duì)容易，并且如上所述，N型比P型尺寸更小。高邊MOSFET既有采用N型的也有采用P型的。兩者都會(huì)使用的原因是若使用N型，可以與低邊MOSFET的特性保持一致（也能實(shí)現(xiàn)更小尺寸），但維持導(dǎo)通需要高于功率晶体管所連接电源（V）的電壓；而若使用P型則無(wú)需高于电源（V）的電壓，但相對(duì)于N型的尺寸更大（或者特性會(huì)改變）。從外部供給电机驱动器電路的电源，通常以功率晶体管所連接的电源電壓為更高。因此，是否需要該電壓以上的電壓便成為關(guān)鍵選擇之一。

另外，施加在电机線圈上的電壓及电流會(huì)因电机的配套設(shè)備和电机的特性而有所不同，因此需要選擇能夠滿足电机所需電壓和电流規(guī)格的功率晶体管。

柵極驱动器

柵極驱动器是將來(lái)自控制器的指令信号傳遞給功率晶体管的電子元器件。

下圖是高低邊均為N溝道MOSFET時(shí)的信号示例。控制器輸出Low為0V、High為5V的指令信号。僅憑此信号無(wú)法直接導(dǎo)通和關(guān)斷高低邊MOSFET。如前文所述，N溝道MOSFET需要相對(duì)于源極施加閾值以上的電壓，而高邊MOSFET的源極電壓有時(shí)會(huì)達(dá)到电源電壓（下圖中的VM）。在下圖中，柵極驱动器將低邊指令信号的振幅提升至VCC。该VCC需设定为远高于MOSFET阈值的电压。此外，使高边MOSFET导通的电压需达到VM＋VCC。通常，柵極驱动器的輸出能力，即其能提供和吸收的电流量，比控制器的輸出能力要大。這是因?yàn)镸OSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷需要一定的电流（該电流量不足時(shí)，MOSFET的開(kāi)關(guān)速度可能會(huì)受到限制）。

綜上所述，柵極驱动器的作用包括調(diào)整指令信号的振幅、調(diào)節(jié)成與电源電壓（VM）相匹配的電位以及提升最大电流量。此外，如果高邊是P溝道MOSFET，還會(huì)進(jìn)行極性的反轉(zhuǎn)。

下面展示了實(shí)現(xiàn)上述工作的電路結(jié)構(gòu)示意圖。N溝道-N溝道型（N-N）的低邊指令信号通過(guò)緩沖電路輸出（這里的緩沖電路是指調(diào)整信号大小（振幅）和电流供應(yīng)能力的電路）。高邊的指令信号則先經(jīng)由信号傳輸電路進(jìn)行信号電平調(diào)整后，再通過(guò)緩沖電路輸出。此時(shí)的電壓也會(huì)使用高于VM的电压。

P溝道-N溝道型（P-N）的低邊與N-N型相同。高邊的結(jié)構(gòu)示例如圖所示，導(dǎo)通的指令會(huì)使緩沖電路后的晶体管導(dǎo)通。通過(guò)這一工作，高邊MOSFET的柵極電壓降低，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通。由此可見(jiàn)，根據(jù)功率晶体管是N-N型還是P-N型，柵極驱动器的電路結(jié)構(gòu)也會(huì)有所不同。

在N-N型电路中，需要比VM（功率晶体管高邊的电源）更高的電壓。該電壓通常由电机驱动器內(nèi)部的升壓電路生成。此升壓電路主要有以下兩種類型。

一种是被称为“电荷泵”的电路。通过使VCP1引脚的电压在0和VM电压之间交替重复的工作，对电容器C2充电。通过这一工作，VCP引脚的电压将达到VM＋VCC（不包括二极管的电压降），从而可作为升压电压使用。

另一種是自舉電路。當(dāng)?shù)瓦?#21151;率晶体管導(dǎo)通且VS引腳電壓接近0（Gnd電位）時(shí)，电容器C1會(huì)被充電。通過(guò)這一工作，使VB引腳相對(duì)于VS保持VCC的电位差，从而可作为升压电压使用。

關(guān)于這兩種電路的工作和特點(diǎn)，請(qǐng)參閱本文所在的“Sugiken老師的电机圖書(shū)館”內(nèi)的另一篇文章“Sugiken老師的电机驱动器課”的“第12集電路的深度知識(shí)＜升壓電路＞”。

用途和特点

无刷电机被安裝于各類設(shè)備中，并廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域。例如，僅以部分家電和消费电子為例，电机就被應(yīng)用于風(fēng)扇、壓縮機(jī)、洗衣機(jī)的滾筒、復(fù)印機(jī)的多棱鏡和送紙器、电脑的驅(qū)動(dòng)（硬盤和光驅(qū)）、吸塵器的吸力裝置等場(chǎng)景中。

當(dāng)使這些設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，它們各自都有其特點(diǎn)和要求（限制）事項(xiàng)（或者非要求事項(xiàng)）。例如，風(fēng)扇要求以恒定速度旋轉(zhuǎn)，但對(duì)旋轉(zhuǎn)波動(dòng)和轉(zhuǎn)速精度的要求并不嚴(yán)格。對(duì)旋轉(zhuǎn)波動(dòng)和轉(zhuǎn)速精度有嚴(yán)格要求的是驅(qū)動(dòng)與設(shè)備性能直接相關(guān)的部件（如多棱鏡、送紙器和驱动器等）旋轉(zhuǎn)的电机。壓縮機(jī)要求無(wú)傳感器控制，而吸塵器則需要較高轉(zhuǎn)速。

如果試圖用一種电机驱动器來(lái)應(yīng)對(duì)具有各種特點(diǎn)和要求（限制）的电机，可能導(dǎo)致性能過(guò)剩或者功能沖突。因此，电机驱动器有針對(duì)風(fēng)扇或多棱鏡等應(yīng)用特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，具備與之相匹配的性能。

另外，輸入至电机的功率电源（連接功率晶体管的电源）主要有兩種類型：一種是將商用电源（AC100V或AC200V）整流后得到的直流電壓，另一種是比該電壓更低的直流电源。前者為DC140V或DC280V，有时被称为“高压（高電壓）”；后者為DC24V、DC12V或DC5V等，有時(shí)被稱為“低壓（低电压）”。為了表明能夠適配這些電壓范圍，有時(shí)會(huì)用“高压驱动器”或“低壓驱动器”等用以表示电机驱动器額定電壓范圍的名稱。

电机驱动器示例

本節(jié)我們將介紹ROHM官網(wǎng)產(chǎn)品信息頁(yè)面中幾款电机驱动器IC的規(guī)格、特點(diǎn)和主要應(yīng)用領(lǐng)域。

?三霍爾低电压120度矩形波

BD63006MUV是一款全集成电机驱动器IC，推薦電壓為8V～24V，可輸出1.5A的电流。采用三個(gè)霍爾元件檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，通電波形為120度矩形波。可以通過(guò)施加Duty脈沖指令來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。內(nèi)置N-N型功率晶体管，通過(guò)电荷泵生成電壓。

配備有節(jié)能電路、旋轉(zhuǎn)方向切換、短路制動(dòng)功能和各種保护功能，主要適用于OA設(shè)備及普通消费电子產(chǎn)品中安裝的电机。

單霍爾低电压正弦波

BD63251MUV是一款預(yù)驱动器（控制器+柵極驱动器），推薦電壓為5.5V～15V，需搭配P-N型功率晶体管使用。采用單個(gè)霍爾元件檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，通電波形為正弦波。可以選擇施加模拟電壓指令或Duty脈沖指令的任意一種來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓指令（給功率晶体管的信号）。由于是P-N型，因此沒(méi)有升壓電路。

配備有自動(dòng)超前角控制、固定超前角調(diào)節(jié)、軟啟動(dòng)功能、旋轉(zhuǎn)方向切換和各種保护功能，主要適用于服務(wù)器和电脑散熱風(fēng)扇中安裝的电机。

無(wú)傳感器中電壓正弦波

BD64070MUV是一款預(yù)驱动器，推薦電壓為28V～77V，需搭配N-N型功率晶体管使用。通過(guò)感應(yīng)電壓的過(guò)零點(diǎn)（電壓極性發(fā)生變化的點(diǎn)）檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，通電波形為正弦波（為檢測(cè)感應(yīng)電壓，正弦波波形中有部分為斷電區(qū)間）。內(nèi)置速度控制（反饋）電路，可通過(guò)施加頻率脈沖指令將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至任意值。由于是N-N型，因此通過(guò)电荷泵生成電壓。

配備有死區(qū)時(shí)間設(shè)置功能、節(jié)能功能、旋轉(zhuǎn)方向切換、短路制動(dòng)功能和各種保护功能。主要適用于風(fēng)扇和普通消费电子產(chǎn)品中安裝的电机。

無(wú)傳感器低电压正弦波

BD63242EFV是一款全集成电机驱动器IC，推薦電壓為5V～16V，可輸出1.0A的电流。通過(guò)感應(yīng)電壓的過(guò)零點(diǎn)（電壓極性發(fā)生變化的點(diǎn)）檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，通電波形為正弦波（為檢測(cè)感應(yīng)電壓，正弦波波形中有部分為斷電區(qū)間）。可以選擇施加模拟電壓指令或Duty脈沖指令的任意一種來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。內(nèi)置P-N型功率晶体管，沒(méi)有升壓電路。

配備有旋轉(zhuǎn)方向切換和各種保护功能。主要適用于冰箱風(fēng)扇和普通消费电子產(chǎn)品中安裝的电机。

三霍尔正弦波

BD62018BFS是一款控制器IC，推薦電壓為10V～18V，需搭配支持N-N型的柵極驱动器和功率晶体管使用。推薦電壓為控制器IC电源電壓，因此不限制柵極驱动器和功率晶体管的電壓。采用三個(gè)霍爾元件檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，通電波形為正弦波。可以通過(guò)模拟電壓指令來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。控制器IC輸出的功率晶体管通斷指令信号，其極性是預(yù)設(shè)為N-N結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的。

配備有超前角調(diào)節(jié)功能、旋轉(zhuǎn)方向切換和各種保护功能。主要適用于風(fēng)扇、泵類和家電產(chǎn)品中安裝的电机。

高压柵極驱动器和功率晶体管（IPM）

BM6242FS是一款I(lǐng)PM（智能功率模塊），推薦電壓為400V以下，可輸出1.5A的电流，需搭配控制器IC使用。內(nèi)置N-N型功率晶体管，通過(guò)自舉電路生成電壓。

配備有各種保护功能和顯示保護(hù)工作狀態(tài)的信号輸出功能。主要適用于風(fēng)扇、泵類和家電產(chǎn)品中安裝的电机。

三霍尔高电压正弦波

BM6249FS是一款全集成电机驱动器IC，推薦電壓為400V以下，可輸出2.5A的电流。采用三個(gè)霍爾元件檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，通電波 形為正弦波。可以通過(guò)施加模拟電壓指令來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。內(nèi)置N-N型功率晶体管，通過(guò)自舉電路生成電壓。

配備有超前角調(diào)節(jié)功能、旋轉(zhuǎn)方向切換、各種保护功能和顯示保護(hù)工作狀態(tài)的信号輸出功能。主要適用于風(fēng)扇、泵類和家電產(chǎn)品中安裝的电机。

最后

以上就是“什么是无刷电机驱动器”的介紹。

无刷电机驱动器不僅在額定電壓和額定电流等常規(guī)規(guī)格上存在差異，在轉(zhuǎn)子位置检测方式、通電波形以及控制功能方面也有多種不同的類型。在選擇电机驱动器時(shí)，需要從中篩選出符合應(yīng)用需求和應(yīng)用場(chǎng)景的產(chǎn)品，為此，了解所安裝的电机和設(shè)備的知識(shí)以及电机驱动器的知識(shí)至關(guān)重要。

希望以上關(guān)于“什么是无刷电机驱动器”的介紹，能夠?yàn)殚喿x者今后在選擇电机驱动器時(shí)提供一些參考和幫助。