无刷直流电机广泛用于高可靠性、高性能运动控制场合。它不使用会产生粉尘并磨损的机械电刷，而是采用电子换相方式工作。BLDC 电机的优点是转矩输出大、转速高、无刷运行；但其主要缺点是成本相对高于有刷直流电机或步进电机。
BLDC 电机主要分为两大类：旋转式 BLDC 电机和直线式 BLDC 电机。其中旋转电机还可进一步细分，主要根据内转子 / 外转子结构以及轴向磁通 / 径向磁通设计来区分。内转子 BLDC 电机又分为内置永磁体（IPM）型和表贴永磁体型。最后，铁芯结构形式还可将其分为有槽 BLDC 电机和无槽 BLDC 电机。
这些结构差异大多数对电机控制方法影响很小，但会对关键性能指标产生显著影响，包括转矩重量比、运行平顺性、最大加速度和最高转速。
图 1 该图表对比了有刷直流电机、步进电机和无刷直流电机的转矩重量比与功率重量比
三相无刷电机在众多定位类电机中处于什么位置？图 1 通过两张图表对比了不同类型电机在两项关键性能指标上的表现：输出功率重量比和输出转矩重量比。对于特定应用，通常其中一项指标会比另一项更重要。不过二者实际上是相关的，因为功率的定义就是转矩乘以转速。
无刷直流电机的磁学原理至关重要
弄清电机内部的工作原理以及无刷电机如何产生转矩，是理解各种 BLDC 控制方法的基础。图 2 沿电机旋转轴向下观察，并将转子和定子磁场投影到 XY 平面上。
图 2 三相 BLDC 电机的转子与定子磁场矢量
转矩由转子上的永磁体和定子绕组产生的磁场相互作用而生成。定子的每相绕组（图 2 中标记为 A 相、B 相和 C 相绕组）各自产生磁场矢量，彼此之间相差 120° 电角度。这些独立矢量被称为绕组电流空间矢量。
由于它们共用同一个铁芯，定子磁场的合成方向可看作由三个独立绕组矢量相加得到的单个矢量，这个合成矢量被称为定子电流空间矢量。
图 3 A、B、C 三相绕组矢量叠加形成定子电流空间矢量
定子绕组产生的三个磁场如何合成为一个定子电流空间矢量？答案是：定子合成矢量的方向和幅值等于各相绕组电流空间矢量的矢量和（图 3）。Ia、Ib、Ic 分别是 A 相绕组电流 Ia、B 相绕组电流 Ib、C 相绕组电流 Ic 所产生的磁场。
这三个彼此相差 120° 的磁矢量，因绕组中流过的电流不同而具有不同幅值。上图示例中，Ia 电流为 3.4A，Ib 为 1.0A，Ic 为 4.4A。它们被绘制在 XY 平面内，通过将各矢量 “首尾相连” 得到合成矢量，最终形成图 3 中绿色所示的定子总磁矢量。
当转子磁场角度与定子磁场角度相互垂直时，产生旋转运动的Q（转矩）分量达到最大，而不产生旋转运动的D（直轴）分量为零。反之，如果转子磁场与定子合成磁场平行，则 Q 分量为零，D 分量达到最大。只有垂直的 Q 分量能产生有效的旋转转矩，平行的 D 分量只会对转子产生径向压力，不产生任何旋转转矩。
为产生最大转矩，控制器会控制定子矢量角度，使其始终与转子磁场角度保持垂直。这一过程称为换相—— 控制器通过电机上的位置传感器信号获取转子位置，从而在转子旋转时实时调整定子磁场角度。关于换相的更多内容将在后续专门文章中详细介绍。
BLDC 电机极数的重要性
BLDC 电机结构的一个关键要素是电机极数。无刷电机的绕组设计可以做到：
机械旋转 360° 对应定子磁场电角度旋转 360°；
或对应两次电角度 360° 旋转；
甚至对应多次电角度旋转。
注意，此处 360° 电角度旋转指定子磁场角度完成一圈旋转。
机械旋转一圈对应定子磁场旋转一圈的电机为两极电机（经过一对 N、S 极），两极电机有时也称为一对极电机。
机械旋转一圈对应两次电角度旋转的为四极电机。
BLDC 电机可以有 2、4、6、12 极或其他偶数极数。在所有情况下，极对数 = 极数 ÷ 2。
不同极数的 BLDC 电机各有什么优缺点？总体而言：极数越高，BLDC 电机输出转矩越大，但最高转速越低。虽然有许多电机设计因素会影响这两项指标，但在其他条件相同的情况下，这是极数不同带来的主要性能差异。
旋转式与直线式 BLDC 电机的区别
到目前为止我们只讨论了旋转电机，但上述所有原理同样适用于直线无刷电机。
直线 BLDC 电机是如何构造的？图 4 对比了直线电机与旋转电机的结构。直线无刷直流电机本质上就是 “展开铺平” 的旋转电机。二者都有容纳线圈的定子，以及包含永磁体的转子。
图 4 旋转电机与直线无刷直流电机的结构布局对比
注意：对于直线电机来说，“转子” 这个叫法容易产生歧义，因为它并不旋转。但行业内仍沿用该叫法，因为没有其他公认的标准术语来称呼直线电机的这一部件。
从设定定子磁场角度的角度来看，直线电机的控制与旋转无刷电机类似。直线电机同样通过换相控制定子绕组的矢量角度，以最大化有效 Q 转矩、最小化无效 D 转矩。
直线 BLDC 电机的定子和转子有两种不同配置方式：一种是定子（带线圈的部分）固定、转子（带磁体的部分）运动；另一种则相反，定子运动、转子固定（图 5、图 6）。
图 5 该直线 BLDC 电机中，定子固定，动子沿导轨运动
图 6 该直线 BLDC 电机采用定子运动、永磁导轨固定的结构
直线 BLDC 电机的 “导轨” 布局还有一种杆式变体。杆内包含交替 N/S 取向的磁体，因此充当转子。同样，既可以是转子（杆）运动而定子固定，也可以更常见地采用转子固定、定子在其上移动的方案（图 7）。
图 7 这种杆式直线 BLDC 电机具有交替磁极
无论采用哪种结构，直线无刷电机都是要求高可靠性、快速响应应用的热门选择。虽然比将旋转运动转换为直线运动的执行机构（如滚珠丝杠、齿轮齿条等）成本高得多，但其定位精度要高得多。这是因为旋转转直线机构不可避免地会引入回程间隙和柔性变形，降低最终定位精度。
推动直线 BLDC 电机普及的因素之一是高分辨率编码器价格变得相对亲民。新型编码器如正余弦编码器和 BiSS-C 串行编码器接口已得到广泛应用。结合先进的信号处理电子电路，直线平台与 XY 平台可实现纳米级甚至皮米级的超高定位分辨率。
BLDC 电机控制器的基本组成
在完成 BLDC 电机的总体介绍后，我们可以深入本系列核心主题：如何控制无刷电机。
BLDC 电机属于 “多相” 器件，即通过对定子上多个电机线圈通电来产生旋转运动。图 8 展示了三相无刷电机控制器的控制架构。
图 8 该控制流程图展示了 BLDC 系统的轨迹生成、换相、电流控制及功率放大环节
大多数 BLDC 电机控制器都包含几个基本模块。首先是轨迹规划模块，轨迹指令可由控制器内部生成，也可通过网络从外部输入。运动轨迹的选择取决于具体应用，但它是控制器整体运行的重要环节，有助于最大化吞吐量并减小被驱动机构的振动。
对于位置控制应用，位置闭环会生成电流指令，以减小目标（指令）位置与实际（检测）电机位置之间的误差。部分应用仅需要速度控制而非位置控制，此时控制器会使用速度伺服环代替位置环。
无论哪种情况，该闭环的输出都是目标电流指令，可理解为电机需要产生的转矩大小。
随后对电流指令进行换相处理，即将总目标电流分配为三相绕组各自的独立指令。根据所使用的位置传感器以及对效率和平顺性的要求，存在多种换相方案。
接下来，电流闭环检测每相绕组的实际电流，并调节施加电压，使实际电流紧密跟踪指令电流。
最后，功率放大器将电压指令施加到各相绕组。如今，大多数放大器采用基于脉宽调制（PWM）的开关桥设计，因其效率极高且易于控制。但在需要超低电磁干扰（EMI）的电子系统中，仍可能使用线性放大器。
不同 BLDC 电机控制器的架构存在明显差异。例如，部分控制器不采用电机绕组主动电流控制；在非定位类应用中，有些控制器完全省去位置传感器 —— 这种方案称为无传感器控制。
