无刷电机的驱动工作原理
1．三相驱动桥
下图为无刷电机的三相全桥驱动电路，使用六个 N沟道的MOSFET
管(Q1～Q6)做功率输出元件，工作时输出电流可达数十安。为便于描
述，该电路有以下默认约定：Q1/Q2/Q3 称做驱动桥的“上臂”，
Q4/Q5/Q6称做“下臂”。
图中 R1/R2/R3 为 Q1/Q2/Q3 的上拉电阻，连接到二极管和电容
组成的倍压整流电路(原理请自行
分析
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)，为上臂驱动管提供两倍于电
源电压(2×11V)的上拉电平，使上臂MOSFET在工作时有足够高的VGS
压差，降低MOSFET 大电流输出时的导通内阻，详细数据可参考 MOS
管 DataSheet。
上臂 MOS 管的 G 极分别由 Q7/Q8/Q9 驱动，在工作时只起到导
通换相的作用。下臂MOS 由MCU 的 PWM输出口直接驱动，注意所
选用的 MCU管脚要有推挽输出特性。
驱动桥全部选用 N 沟道 MOSFET的好处：
大电流 N 沟道 MOS 可供选择的型号众多，货源充足便于购买，使用
的MOSFET 类型减少，间接降低采购元件的难度。
在图 1 中，上臂 MOS 管经过 Q7/Q8/Q9 驱动，逻辑电平和下臂 MOS
刚好相反，这样的好处是，MCU 上电时 I/O 默认为 1，上臂 MOS 不
会导通。只有下臂 MOS 导通，因此不会有电流经过驱动桥，消除了
潜在电路隐患。
C8 是整个电调的电源滤波电容，使用中一定要接上，否则无刷
电机的反电动势叠加在电源上不能被滤除，由倍压电路整流后的电压
高达 30V 左右，己接近 MOSFET 的 VGS 上限，可能会损坏 MOSFET。
2．反电动势波形
上图所示为无刷电机运转中的理想反电动势波形，红线标出来的
是反电动势的过零点。两个虚线间是 60 度电气角度，不要理解成电
机的机械角度。常用航模电机属于无刷三相六拍电机，每个电周期有
六个状态。星形接法中(Y 形)在每一时刻电机的通电线圈只有两相，
另一相线圈悬空，悬空的线圈会产生反电动势，反电动势来源于电机
磁体旋转而造成本线圈切割磁力线和另两相线圈通电时的互感。由于
电机转动的瞬时角速度呈梯形波动，产生的反电动势也相应的呈梯形
变化。但这些不是重要的，我们需要的只是准确的检测出过零点，为
换相做准备。看上图中的第一个电周期过零点数目，三个线圈在时间
轴上共出现 6 次过零点，和电周期的节拍数目相同。我们所要做的是，
只要检测到过零点，就需要给电机换相了。
3．过零检测电路
用比较器检测过零点的基本电路接法，电机的相线(A/B/C)接比较
器的同相输入端，比较器的负端接相线 A/B/C 的虚拟地电位。虚拟地
电位由 A/B/C相经过电阻隔离形成，详细原理可参考相关资料。相线
上产生的反电动势电压以虚拟地为参考点，做正负周期性的变化。在
每次比较器输出状态翻转时，说明检测到了过零点，接下来需要做换
相动作了。A/B/C 三相分别需要一个过零点检测电路，也可用电子开
关电路进行实时切换，A/B/C相共用一个过零检测电路，这通常在集
成了模拟外设的 MCU内实现。
4．线圈换相的顺序
关于电机运行的换相步骤，需严格按照以下的换相顺序如图 4 所
示，应用中需要调换电机的转动方向，只需把电机的任意两根相线对
调即可。
5. 过零点的 30 度电角度延迟
理想的反电动势波形和霍尔传感器输出波形对比图，从图中可看
出，反电动势的过零点和霍尔传感器的波形翻转同步，如果用此反电
动势过零信号进行程序换相会获得和有感无刷电机一样的运转性能。
实际的反电动势波形和霍尔波形对比图如上所示，红线为霍尔的
输出波形，黑色虚线是反电动势，紫色竖线为反电动势的过零点，时
间轴的方向为从左往右，可以得知反电动势的过零点比霍尔传感器的
输出波形提前了半个电节拍，即 30 度电角度。为了能够在正确的时
刻才换相，需要在检测到反电动势过零点后延迟 30 度电角度之后，
才进行换相。究竟延迟多长时间才够 30 度时间呢?需要对相邻两个过
零点之间的时间进行计时，因为无刷电机的转速是会变化的，相应的
电周期也会变化。用定时器得到计时值后除以 2 就是当前电机转速下
的 30 度电角度延迟时间值，把此时间值装入一个定时器，并打开该
定时器中断，等延时完毕进中断即可完成电机换相。
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