让无刷电机转起来——换相（BLDC）

1. 引言

2. 无刷电机换相原理

2.1 通电原理（一相）

2.2 换相原理（三相）

2.3 驱动电路

2.3.1 上下桥臂

2.3.2 六步换相

3. 结束语

1. 引言

前面博客，博主对于无刷电机的驱动方式与电路作了简要的介绍，指路：

四轴-无刷电机无感控制（BLDC）-CSDN博客

说起电机换相，对于普通的直流电机（如舵机，空心杯）来说，只需要向其输入一个方向的PWM波，电机就能按照我们期望的方向与速度旋转。而稍微复杂一点的直流电机，如步进电机与无刷电机，则不能简单地使用一个PWM脉冲就可驱动。本文介绍的，即是常见直流电机中最为复杂的电机——无刷直流电机（ Brushless Direct Current Motor,BLDC）的换相方法

关于步进电机换相：尽管步进电机的结构与无刷电机很相似，但在换相方法上，二者完全不同。无刷电机的换相方法为“六步换相”，而步进电机的换相方法为分时同电——即在单位时间内给不同的相通电，以达到换相的目的，感兴趣的读者请自行了解，本文不作具体说明

2. 无刷电机换相原理

2.1 通电原理（一相）

图 2.1 是无刷电机的简化图：

图 2.1 无刷电机简化图

无刷电机中间有一块写着南北极的长方形，是一块永磁铁；固定在四周的，是通电线圈，每两个同色的线圈为一组

在每两个同色的线圈中，总有一个线圈上写着"COM"，写着"COM"的线圈（后文将称其为“下桥臂”，而非COM的线圈为“上桥臂”，可移步至半桥电路小节了解详情）为线圈的公共结点。每组线圈的非COM端通过在电机四周环绕连至COM端（如图粗红线），所有线圈的COM端都会共同连到电源的负极（到电路讲解部分再倒过来看这一段，或许会清晰不少）

于是，便有了如下简图（图2.2）：

图 2.2 无刷电机电路图

此图将图 2.1 中COM端抽象至同一点，A/B/C为无刷电机三根电机线（也叫U/V/W），即无刷电机的基本导线只有三根

有些无刷电机会有5根或6根甚至更多的电机线，那是因为，除了基本的通电导线外，一些无刷电机还有（霍尔）传感器导线，这些多出来的导向负责检测无刷电机转子位置。无人机电机一般不涉及传感器导线，本文不做介绍

关于无霍尔无刷电机的转子位置检测，可以参考博主前文，指路：

四轴-无刷电机无感控制（BLDC）-CSDN博客

2.2 换相原理（三相）

在 2.1 中，博主介绍了无刷电机中，一组线圈（一相）的通电原理，在2.2中，我们将会了解如何用三相的协作通电控制无刷电机运动

关于无刷电机三相协作通电（下称“换相”），依据前文的介绍，似乎将U/V/W相按照一定节奏交替通电，就能实现换相。理论上似乎是可行的，但是实际上并不是这样。单独将某一相通电，会发生短路的情况（电路部分会解释），要保证电路的安全，又要使无刷电机成功换相，就得让每一相的非“COM”端和"COM"端交替通电，交替通电的名称为“六步换相”

六步换相如图 2.2.1 所示：

图 2.2.1 六步换相

以上图中（1）为例，U相与W相同时通电，由电磁感应，U相线圈可理解为磁铁正极，W相线圈可理解为磁铁负极，转子发生图示方向的转动。由此可推（2）到（6）的转子位置

依图，似乎可以推断，我们只需要按照图示换相的方式，交替向其中输入电平，似乎就可以达成换相，理论上确实使这样，但实际上，直接通入电流，会导致电机转速会骤升，加大丢步等问题发生的可能性，不利于控制。所以我们一般使用PWM波驱动电机，能够有效提升操作性

PWM波交替控制（PWM调制），一般有五种方式，如图 2.2.2：

图 2.2.2 PWM调制

此处我们使用第4种，即 H_PWM-L_ON 的驱动方式，驱动方式，将与驱动电路一起讲解

2.3 驱动电路

图 2.3.1 是无刷电机的常见驱动电路简图（半桥驱动电路）：

图 2.3.1 驱动电路换相

2.3.1 上下桥臂

图2.3.2是单独一相的半桥电路：

图 2.3.2 半桥电路

如图可见，上桥臂连接正极，下桥臂接地，上桥臂MOS管导通（写1，如图2.2.2），高电平输入，下桥臂MOS管导通（写1，如图2.2.2），电平输出至地。

2.3.2 六步换相

如图 2.3.1 所示，所谓H_PWM-L_ON 换相法（图 2.2.2 ），就是按照图 2.2.2 中4号表格内的电平高低写入对应的程序，其中，图 2.3.1 中上桥臂对应图 2.2.2 中X_H栏，下桥臂对应图 2.2.2 中X_L栏

以图 2.2.2 中H_PWM-L_ON 换相法的0°-60°电平为例。此时我们只需给U_H写入方波，给V_L持续1，就能控制电机旋转。

3. 结束语

以上，便是本博客的全部内容，是否有一种“戛然而止”的感觉？

实际上，在了解换相原理后，我们尚且不能成功驱动无刷电机。想让无刷电机转起来，除了了解换相之外，还需要了解如何检测转子位置（不知道转子位置就不能知道什么时候该驱动那些桥臂）、无刷电机启动方式（尽管使用了PWM调制，无刷电机启动依然不能直接加电平，需要涉及到一个叫“外同步加速”的玩意），还有定时器的输出方式等

博主之后会持续更新上述内容，直到让无刷电机成功旋转，感兴趣的读者可以蹲一波~

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