1）簡介：
無刷直流電機（BLDC）是永磁同步電機（定子產生的磁場與轉子的運動頻率相同）的一種，而并不是真正的直流電機。區別于有刷直流電機，無刷直流電機不使用機械的電刷裝置，采用方波自控式永磁同步電機，以霍爾傳感器取代碳刷換向，以釹鐵硼作為轉子的永磁材料，性能相較一般的傳統直流電機有很大的優勢，是當今最理想的調速電機。
BLDC電機可以配置為單相、雙相和三相。三相電機使用最普遍。
無刷直流電機以電子換向器（三相逆變橋電路）取代了機械換向器（有刷電機的電刷），所以無刷直流電機既具有直流電機的良好調速性能，又具有交流的結構簡單、無換向火花。
BLDC電機和有刷直流電機及感應電機相比，具有如下優點：
更好的轉速-轉矩特性；
快速動態響應；
高效率；
使用壽命長；
運轉無噪聲；
較高的轉速范圍；
無刷直流電機是同步電機的一種，也就是說電機轉子的轉速受到電機定子旋轉磁場的速度及轉子極數（P）的影響。
直流無刷驅動器包括電源部及控制部，電源部提供三相電源給電機，控制部則依需求轉換輸入電源頻率。
電源可以直接以直流輸入（一般為24v）或以交流電輸入（110v/220v），如果輸入是交流電就得先經轉換器轉成直流。不論是直流電輸入或交流電輸入要轉入電機線圈前必須先將直流電壓由換流器轉成3相電壓來驅動電機。換流器一般由6個功率晶體管（q1-q6）分為上臂（q1、q3、q5）下臂（q2、q4、q6）連接電機作為控制流經電機線圈的開關。控制部則提供PWM（脈沖寬度調制）決定功率晶體管開關頻度及換流器換相的時機。直流無刷電機一般希望使用在當負載變動時速度可以穩定于設定值而不會變動太大的速度控制，所以電機內部裝有能感應磁場的霍爾傳感器，作為速度的閉環回路，同時也作為相序控制的依據。但這只是用來作為速度控制并不能用來作為定位控制。
2）基本結構組成：
直流無刷電機主要由電機本體、位置傳感器和電子開關線路三部分組成。其原理框圖如下圖（1）所示。
圖（1）
直流電源通過開關電路向電動機定子繞組供電，位置傳感器隨時檢測到轉子所處的位置，并根據轉子的位置信號來控制開關管的導通和截止，從而自動地控制哪些繞組通電，哪些繞組斷電，實現電子換向。
圖（1）外轉子無刷電機結構示意圖
3）定子：
BLDC定子是由許多硅鋼片經過疊壓和沖壓而成，每個沖槽內都有一定的線圈組成了繞組，可參見下圖。
從傳統意義上講，BLDC的定子和感應電機的定子有點類似，不過在定子繞組的分布上有一定的差別。大多數的BLDC定子有3個呈星型排列的繞組，每個繞組又有許多內部結合的鋼片按照一定的方式組成，偶數個繞組分布在定子的周圍組成了偶數個磁極。
定子繞組可以分成梯形和正弦兩種繞組，它們的根本區別在于繞組的不同連接方式使它們產生的反電動勢不同，分別呈現梯形和正弦波形。梯形和正弦波繞組產生的反電動勢波形如下圖：
圖（5）梯形反電動勢
圖（6）正弦反電動勢
另外，繞組的不同不僅在反電動勢上有梯形和正弦的區別，在相電流上也呈現出梯形和正弦波的差異。正弦波繞組由于波形平滑，所以運行起來相對于梯形繞組來說更加平穩一些。
4）轉子：
轉子是由2至多對永磁體按照N極和S極交替排列在轉子周圍構成的（內型轉子），如果是外轉子型BLDC則是貼在內壁。
要根據轉子中需要的磁場密度選擇制造轉子的合適磁性材料。傳統使用鐵氧體制造永磁體。隨著技術的進步，稀土合金磁體正越來越受歡迎。鐵氧體比較便宜，但缺點是給定體積的磁通密度較低。相比之下，合金材料單位體積的磁場密度高，生成相同轉矩所需體積小。同時，這些合金磁體能夠改善體積與重量之比，比使用鐵氧體磁芯的同體積電機產生的轉矩更大。
稀土合金磁體釹等進一步提高磁通密度，縮小轉子體積的研究仍在持續中。
如下圖所示，為轉子中不同磁體排列的橫截面圖：
5）霍爾傳感器：
與有刷電機不同，無刷直流電機使用電子式換向。要使得BLDC轉起來，必須按照一定的順序給定子通電，那么我們就需要知道轉子的位置以便按照通電次序給相應的定子線圈通電。轉子的位置是由嵌入到定子的霍爾傳感器感知的。通常設計三個霍爾傳感器在轉子的旋轉路徑周圍。多數BLDC電機在非驅動端上的定子中嵌入了三個霍爾傳感器。無論何時，只要轉子的磁極掠過霍爾元件時，根據轉子當前磁極的極性霍爾元件會輸出對應的高或低電平，表示北磁極或南磁極正經過該傳感器。這樣只需要根據三個霍爾元件產生的電平時序就可以判斷當前轉子的位置，并相應的對定子繞組進行通電。
霍爾效應：當通電導體處于磁場中，由于磁場的作用力使得導體內的電荷會向導體的一側聚集，當薄平板通電導體處于磁場中時這種效應更為明顯，這樣一側集聚了電荷的導體會抵消磁場的這種影響。由于電荷在導體的一側集聚，從而使導體兩側產生電壓，這種現象稱為霍爾效應。
圖（7）霍爾傳感器測量原理
圖7顯示了NS磁極交替排列的定子的橫截面。霍爾元件安放在電機的靜止位置，將霍爾元件安放到電機的定子是比較復雜的。因為如果安放時位置沒有和轉子的磁場相切那么就可能導致霍爾元件的測量值不能準確的反應轉子當前的位置。鑒于以上原因，為了簡化霍爾元件的安裝，通常在電機的轉子上安裝一顆冗余的磁鐵，這個磁體專門用來感應霍爾元件，這樣就能起到和轉子磁鐵感應相同的效果，霍爾元件一般按照圓周安放在印刷電路板上并配備了調節蓋，這樣用戶就可以根據磁場的方向非常方便的調節霍爾元件的位置以便使它工作在最佳狀態。
霍爾元件在位置的安排上，有60°夾角和120°夾角兩種。基于這種擺放形式，BLDC的電流換向順序由制造廠商制定。當我們控制電機的時候就需要用到這種換向順序。
注意：霍爾元件的電壓范圍從4V-24V不等，電流范圍從5mA-15mA不等，所以在考慮控制器時要考慮到霍爾元件的電流和電壓要求。另外，霍爾元件輸出集電極開路，使用時需要接上拉電阻。
6）工作原理簡介：
每次換向，都有一個繞組連接到控制電源的正極（電流進入繞組），第二個繞組連接到負極（電流從中流出），第三個處于失電狀態。轉矩是由定子線圈產生的磁場和永磁體之間的相互作用產生的。理想狀態下，轉矩峰值出現在兩個磁場正交時，而在磁場平行時最弱。為了保持電機轉動，由定子繞組產生的磁場應不斷變換位置，因為轉子會向著與定子磁場平行的方向轉動。“六步換相”定義了給繞組加電的順序。
7）轉矩/轉速特性：
下圖展示了轉矩/轉速特性示例。有兩個轉矩參數用于定義BLDC電機，峰值轉矩（Tp）和額定轉矩（TR）.
連續運轉時，電機的負載會增加直到到達額定轉矩。在BLDC電機中，轉矩在轉速達到額定值之前都保持不變。電機運轉可達到的最大轉速是額定轉速的150%，但從超過額定轉速起轉矩開始下降。
對于經常帶負載啟動、停止和反轉的電機應用需要比額定轉矩更大的轉矩。
以內轉子無刷電機工作原理為例來介紹；
1）基本線圈受力分析：
如下圖所示，當線圈的電流從上往下流通時，線圈上面為N極，下面為S極。
再增加一根線圈，則如下圖所示：
再增加一根線圈，得到一個電機的三相繞組：
再加上永磁體做成的轉子，就是一個無刷直流電機了：
2）電流換向器：
無刷直流電機之所以可以既使用直流電源通電，又不使用電刷，是因為外部有個專門的電路（逆變橋電路）來控制各相線圈的通電。這個換向電路的主要器件可以是FET、MOS或IGBT。可以把FET等看做是開關。下圖將FET標為AT（A相Top），AB（A相Bottom），BT，BB，CT，CB。FET的“開合”是由單片機控制的。
3）電流換向過程：
FET的關閉與開啟是由單片機控制的。最常用的電流換向方法是Six-STEP Commutation，即“六步換向”，換向過程如下圖所示：
4 ）轉子轉動：
要讓轉子能夠連續的轉動，則六步換向生成一個旋轉磁場，在轉子的前方不斷勾引。如下圖所示，黑色箭頭為合成的磁場方向，紅色箭頭為轉子磁場的方向。所以，只要控制好線圈通電的時間，讓合成磁場的方向一直在轉子的前方，轉子便能連續運動。
5 ）怎樣確定換向時間：
通過前述分析，轉子連續旋轉的關鍵是，等轉子轉到合適的角度，對通過線圈的電流進行換向，從而使生成的磁場方向發生變化，吸引轉子，導致轉子轉動。
所以，需要知道轉子的位置在哪里才能確定合適的電流換向時間。
判斷轉子位置的方法挺多，有傳感器方案和無傳感器方案；而傳感器一般是霍爾傳感器。
6 ）霍爾傳感器：
霍爾傳感器通過霍爾效應（Hall Effect），能檢測出磁場強度的變化。根據左手定則（判斷導體在磁場中的受力方向），在霍爾傳感器所在回路中，磁場使帶電粒子的運動發生偏轉，帶電粒子“撞到”霍爾傳感器兩邊，產生電位差。這樣就可以用電壓計接到霍爾傳感器的兩邊，檢測出這種電壓變化，從而檢測出磁場強度的變化。原理如下圖所示：
基于以上霍爾傳感器的原理，那么霍爾傳感器是如何得到轉子位置的呢？
霍爾傳感器一般是每隔120度或60度安裝。下面按120°的分析，假設轉子的N極劃過霍爾傳感器的感應區時，霍爾傳感器會輸出高壓（如5V），反之是S極則會輸出低壓。
根據HA/HB/HC的電平，就可以知道轉子所處位置的角度。比如HA高，HB和HC低，那么我們知道轉子處于180°-240°電氣角度之間。使用三個霍爾傳感器時，分辨率是60°電氣角度。
電氣角度和機械角度的關系：機械角度是電機轉子實際轉過的角度，電氣角度和機械角度的關系與轉子的極對數有關。實際上線圈生成的磁場要吸引的是轉子的磁極。所以，對于電機的轉動控制來說，只要關心電氣角度就好。
電角度是實際的空間幾何角度。
電機每對極在定子內圓上所占的角度360°/p指的是實際的空間幾何角度，這個角度被稱為機械角度。在四極及以上的極數電機中常常把一對極所占的機械角度定義為360°電角度，這是因為繞組中感應電勢變化一個周期為360°。對于兩極電機，其定子內圓所占電角度和機械角度均為360°，而p對極電機，其定子內圓全部電角度為360°*p，但機械角度仍為360°。二者存在如下關系：電氣角度=機械角度*極對數；
