无刷电机是如何工作的（wgb）

无刷电机（通常指无刷直流电机，BLDC）通过电子换向器替代传统电刷和换向器，实现转子与定子磁场的精确同步旋转。其工作原理结合了电磁感应、电子控制和传感器反馈（或算法估算），以下是详细解析：

一、核心结构：定子与转子的角色互换

无刷电机的关键设计是将永磁体作为转子，绕组作为定子，与传统有刷电机相反。这种结构消除了电刷磨损，同时需要电子控制实现换向。

二、工作原理：电子换向的“魔法”

无刷电机的核心是通过电子开关（如MOSFET）按特定顺序为定子绕组通电，产生旋转磁场，驱动永磁转子同步旋转。具体步骤如下：

1. 磁场生成：定子绕组通电

• 定子通常为三相星形或三角形连接的绕组（U/V/W），每相绕组由电子开关（如半桥驱动电路）独立控制。

• 当U相通电时，电流从U相流入，经中性点返回，形成沿U相轴线的磁场（图1a）。

• 通过脉宽调制（PWM）控制电流大小，可调节磁场强度，进而控制扭矩。

2. 转子定位：霍尔传感器或算法估算

• 霍尔传感器型：转子上安装3个霍尔传感器（间隔120°电角度），实时检测转子磁极位置（N/S极）。

• 例如：当霍尔传感器输出“101”时，控制器知道转子磁极位于特定区域，需切换到下一相通电。

• 无传感器型：通过反电动势（Back-EMF）波形估算转子位置（适用于中高速运行）。

• 原理：转子旋转时，定子绕组切割磁感线产生反电动势，其波形与转子位置相关（图2）。

• 算法：通过检测反电动势过零点，推算转子电角度（如六步换相法）。

3. 换相逻辑：六步换相法（典型应用）

无刷电机通常采用六步换相法，将360°电周期分为6个步骤，每步通电60°电角度：

• 效果：每步通电后，定子磁场旋转60°，转子因磁力作用跟随旋转，实现连续旋转。

• 波形：相电流为方波，反电动势为梯形波（图3），故也称“方波无刷电机”。

4. 速度与位置控制：闭环调节

• 速度控制：通过调节PWM占空比改变平均电压，进而控制电机转速（公式：$n\propto (V-I\cdot R)/k_e$，其中 $k_e$ 为反电动势常数）。

• 位置控制：在闭环系统中（如伺服应用），通过编码器反馈实际位置，与目标位置比较后，经PID算法调整PWM输出，实现精确位置跟踪。