电机控制中矢量图的作用

一、前言

在电机驱动开发过程中，我们有的时候需要知道相电压与线电压之间的关系，也可能会需要知道相反电动势与线反电动势之间的关系等，那么为了能够直观的分析出这些矢量的关系（包括幅值关系、相位关系），我们就可以借助矢量图这个工具了。

利用矢量图，我们可以很容易根据矢量合成及矢量分解的法则来得出要分析的矢量之间的关系，就可以用几何加数学的方式找出合成矢量所处的位置或者合成矢量被分解之后的位置。我们甚至通过矢量图的关系分析之后，再根据反电动势跟转子位置的关系可以得出转子的位置。因此我们了解矢量图及其相关的法则就很有必要了。如下图一所示为三相坐标系的坐标图示意图：

图一：三相坐标系坐标示意图

二、矢量概念介绍

想要学会分析矢量图，我们需要有一些基础知识的铺垫，这里我们有必要简单介绍一下矢量的概念。矢量这个概念其实最早可以追溯到我们中学课堂里学过的向量，我们都知道，向量是一个既有大小又有方向的量，向量的运算不在遵循一般的四则运算法则，而是有专门的运算方式，下图二所示为我们中学向量的表示方式：

图二：向量的表示示意图

而矢量这个概念其实到大学课本才接触到，它的定义是，有的物理量，既要有数值大小，又要有方向才能确定完全确定。这些量不遵循一般的代数法则，而遵循特殊的运算法则。这样的量被称为物理矢量。其实向量这个概念在数学课本用得比较多，在物理课程中就有了另一个名字“矢量”。只不过在物理学中，会有很多物理量如力，它有大小和方向，电压，也有大小和方向，用来表示物理量的大小和方向就被称为了矢量，而数学只是研究某个有方向和大小的量的运算及表示形式，因此就把它称为了向量。所以，对于我们工程师来说，可以理解它们就是一个东西。

三、矢量的运算法则

矢量之间的运算要遵循特殊的法则。矢量的加法可以一般可以使用平行四边形法则，当然也可以推广到三角形法则或者正交分解法。矢量减法是矢量加法的逆运算，一个矢量减去另一个矢量，等于加上那个矢量的负矢量。

矢量也可以进行乘法运算，矢量和标量的乘积仍为矢量，矢量和矢量相乘，可以得到一个新的标量（只有大小，没有方向的量），这样得到的结果是标积；两个矢量相乘也可以得到一个新的矢量，把这样的乘法称为矢积。其实就对应着中学课本中学习的向量的内积和外积。

图三：矢量加法的平行四边形法则示意图

图四：矢量减法法则示意图

图五：矢量的正交分解法示意图

在电机控制中，基本上以上三种方式使用得比较多，其实在遇到减法得场合，都是转换为加法进行合成。

四、反电动势矢量合成

在电机控制系统中，我们可以基于定子三相绕组建立三相基本坐标系，在这个坐标系中可以进行矢量合成与分解的分析，从而可以知道反电动势之间的关系。

图六：反电动势矢量合成示意图

如上图六所示，我们知道了Ea及-Eb相反电动势的大小及方向，利用平行四边形的法则可以得出线反电动势的的大小及方向。在上图坐标系中，我们假设顺时针旋转为角度超前，从上图中可以得出先线电动势Eab超前相反电动势-Eb 30度，相反电动势Ea超前线反电动势Eab 30度。还可以根据三角形的关系将合成得到的线反电动势跟相反电动势的幅值关系求出来。

在SPWM及SVPWM算法中，我们就需要知道相电压跟线电压的关系，从而推导出两种算法的电压利用率问题，所以我们了解矢量图的合成与分解原理，就可以很方便的知道矢量的关系，也可以很好的分析出电压利用率的问题。下图七给大家展示了一幅完整的全坐标系内的反电动势合成矢量图：

图七：全坐标系内反电动势合成示意图

有了这幅图，大家可以很好的分析出各种情况下的相反电动势和线反电动势之间的关系。当我们需要推导三相电机六步换相的绕组通电顺序的时候，就可以根据霍尔信号与线反电动势之间的关系，推导出霍尔信号跟相反电动势的关系，从而确定出正确的通电顺序。

五、总结

通过这篇文章，只想跟大家分享矢量图在我们电机控制中的作用，文章中简单的列举了个别合成示意图，只是希望大家能够掌握这种方法，后期自己在电机控制开发过程中能够举一反三，利用好矢量图这个工具去分析自己遇到的情况，能够快速的得出矢量之间的关系，有助与项目开发的进度。

实际测量三相直流无刷电机反电动势波形

一、前言

很多人在开发有霍尔传感器方波控制时，在如何准确确定出三相绕组的通电顺序方面存在疑惑，在网上找了很多资料都是只给出了相序表，但是真正拿过来引用时却往往对应不了自己的电机，导致项目开发过程的前期就遇到了困难，也让很多工程师在这个方面捉摸不透，无法得到一个准确的方法来作为开发的参考。

那么基于这样的原因，这里就打算通过几期文章及配套视频来一步步给大家讲解整个从拿到一个新电机，到测量反电动势波形，再到确定绕组的通电顺序，最后利用驱动板验证我们的测试全流程实战过程。也期望通过这几期的内容分享让大家掌握这种方法，为以后的项目开发节省时间。

本篇文章，作为一个前期准备，先掌握电机反电动势波形的准确测量方法。当然文章中的方法只是我们的经验总结，供大家参考，起到一个抛砖引玉的作用，如果大家有更好的方法，也欢迎大家能够分享。

二、准备工作

1.待测电机与拖动电机，两者连接关系如下图一所示：

图一：待测电机与拖动电机连接示意图

上图一中的待测电机用于测量反电动势使用，而拖动电机用于将待测电机拖动，这样便于我们能够清晰的观察到待测电机的反电动势波形。图一中的连接方式不是最佳的，电机轴与轴之间最好能使用联轴器进行连接，因为手上没有合适的联轴器（联轴器的形状可以参考下图二），所以我使用胶带临时固定一下。

当然，拖动待测电机的方式也不局限于这种，也可以使用其它的拖动装置或方法（有使用电钻跟待测电机连接，也有用手转动电机轴然后观察反电动势波形（这种方法反电动势波形很不均匀，故不推荐），还有先给电机通电旋转，然后断电，利用断电后电机旋转到停止的过程测量放电动势波形），只要能让待测电机匀速旋转即可。

图二：电机联轴器实物图

2.拖动电机驱动板，如下图三所示：

图三：拖动电机驱动板实物连接图

驱动板选用张飞实战电子BLDC课程配套驱动板，板中已经预先烧录好了有霍尔传感器方波控制代码，在反电动势波形测量中，我们就可以通过这块驱动板将拖动电机拖动旋转起来。

3.三个120K插件电阻，如下图四所示：

图四：三个120K插件电阻实物图

三个120K插件电阻可以用于跟三相电机的三相线进行连接，用于模拟电机中心点，便于测量电机的相反电动势。当然这三个电阻也可以选择其它的阻值，满足几百K都行。电阻跟电机相线的连接关系如下图五所示：

图五：电阻跟电机相线实物连接图

4.示波器

示波器是我们看波形的必备工具，所以没有示波器的话，大家就没办法做这个实验了，如果大家期望在研发的道路上深入，建议还是能够入手一台示波器。下图是我们使用的一台四通道的示波器，如下图六所示：

图六：示波器实物图

至此我们的准备工作就结束了，下面我们就准备开始上电将电机拖动起来，使用示波器观察反电动势波形了。

三、动手实测波形

1.测量相反电动势波形

将示波器的三个通道探头的钩子分别勾到电机三相线的U/V/W，夹子夹在中心点N，具体的连接如下图七所示：

图七：测量三相相反电动势波形硬件实物连接图

连接好之后，我们通过驱动板将拖动电机拖动旋转起来，此时我们在示波器上就可以直观的看到三相相反电动势的实际波形图了，实测波形如下图八所示：

图八：三相相反电动势波形测量图

2.测量线反电动势波形

将示波器的通道一的钩子勾到电机三相绕组的U相，夹子夹到V相，通道二钩子勾到电机三相绕组的W相，夹子夹到V相，此时可以测量得到UV/WV两个线反电动势的实际波形，实物连接图如下图九所示：

图九：线反电动势测量硬件连接图

按上图九连接好实物之后，拖动待测电机即可在示波器上看到UV及WV对应的线反电动势实际波形图，具体如下图十所示：

图十：线反电动势波形图

至此，我们已经能够通过以上方法将相反电动势和线反电动势的波形给测量出来了，相反电动势的测量方法我们是通过模拟中心点的方式得到的，但是不影响我们观察波形，这样的出来的波形变化规律是跟实际的相反电动势是一致的。当然，如果电机的中心点从电机中引出，我们就没必要使用以上方法来模拟测量相反电动势波形了。这里大家明白即可。

四、总结

通过以上介绍方法，我们可以实际测量得到反电动势的波形，这迈开了我们确定绕组通电顺序的第一步，下次将给大家测量霍尔波形跟反电动势波形，并通过波形分析及矢量图合成分析来总结出一个绕组通电顺序表，大家有条件的可以提前自己实现一遍，那么本篇文章就给大家介绍到这里，谢谢大家！

如何用Simulink仿真BLDC反电动势波形

大家好，今天这篇文章跟大家分享如何使用MATLAB中的Simulink来仿真观察直流无刷电机的反电动势波形。

在正式仿真之前，我们先大致了解下BLDC和PMSM电机的反电动势形状区别，无刷直流 (BLDC) 电机其实也是永磁同步电机 (PMSM)中的一种，很多人对BLDC和PMSM的概念比较模糊，因为BLDC电机采用集中式定子绕组，所以会产生梯形波反电动势。而PMSM电机采用分布式定子绕组，产生的是正弦反电动势。所以，它们之间的主要区别在于反电动势的形状。

 那么，在实际的反电动势波形测量中，我们是怎么做的呢？正确的做法是将电机的三相线断开，然后我们对电机施加一定的外力让电机旋转，那么由于转子永磁体转动，就会在定子绕组上产生感应电动势，此时我们测量三相电机的任意一相电压，就是反电动势的波形。

所以我们要仿真观察反电动势波形，同样可以得出以下思路：

1.选定BLDC电机仿真模型；

2.保持BLDC电机三相开路；

3.施加外力让电机旋转；

4.测量反电动势波形。

接下来我们根据这4个思路，一起在Simulink环境中搭建一下仿真模型。Simulink环境如下图一所示：

图一：Simulink环境图示

我们搭建模型就是从模型库中找到相应的模块，然后拖动到仿真文件中，按照仿真框图对各个模块进行连接。首先我们从模型库中找到BLDC电机模块，具体位置如下图二所示：

图二：BLDC模块路径示意图

我们将上图二所示的BLDC电机模型拖动到仿真文件中，如下图三所示：

图三：BLDC模块放置于仿真文件中

我们使用这个BLDC模块就可以来仿真查看反电动势波形，BLDC模块的左边两个端口用于电气连接，右边的两个端口用于机械连接，电气连接就是电机的三相引线及中心点，在电机控制时，就会按照一定规律给电机的三相引线施加电压，从而驱动电机旋转。而机械连接在实际应用中就是电机轴上安装负载，比如风扇、齿轮等等，那么在我们仿真中，需要人为施加一个力让电机旋转，施加的力就通过上图三中的R端给定，而C端是机械参考点，在实际仿真中，会选择一个机械参考点进行连接。

从上面的模块我们可以看出，电机的引线不是三相，这里模块默认是将三相复合起来的，我们需要将复合端口扩展为三相端口，具体做法如下图四所示（在模块上右键，根据①②③三个步骤操作）：

图四：BLDC模块放置于仿真文件中

修改为扩展端口电机模块如下图五所示：

图五：修改之后的BLDC电机模块

对于电气连接端，我们需要让a b c三个端口开路，但是在仿真环境中，端口不能悬空，所以需要接一个开路模块，开路模块的路径如下图六所示：

图六：开路模块路径

将开路模块拖到仿真文件中，因为三个端口都需要开路连接，所以我们可以拖动三个开路模块到仿真文件中，并按照要求连接，连接好之后，如下图七所示：

图七：开路模块与BLDC电机连接示意图

然后，电气连接端的n是中心点，这里我们选用一个电气参考模块进行连接，电气模块的路径跟开路模块一致，如下图八所示：

图八：电气参考模块路径示意图

同样我们把这个模块拖到仿真文件中，然后跟电机模块的端口n进行连接，连接好之后示意图如下图九所示：

图九：电气参考模块跟电机模块连接示意图

这样我们就完成了电气端口的连接，接下来我们来看下机械端口的连接，首先端口C是机械参考端口，所以我们需要找到一个机械参考模块，具体的路径如下图十所示：

图十：机械参考模块路径示意图

同样我们需要将这个机械参考模块拖动到仿真文件中，并跟电机模块进行连接，如下图十一所示：

图十一：机械参考模块与电机模块连接示意图

然后R端需要给一个力让电机轴进行旋转，那么我们可以选用一个理想的角速度源模块（扭矩源模块），这个模块可以让电机转子沿我们指定的角轨迹运动，理想的角速度源模块路径如下图十二所示：

图十二：理想角速度源模块路径

将该模块拖动到仿真文件中，并根电机模块进行连接，如下图十三所示：

图十三：理想角速度源模块与电机模块连接示意图

理想角速度模块的另外两个端口也需要进行连接，C端同样接机械参考模块，而S端是角速度轨迹给定，我们可以给定一个常量，但是该模块是一个机械模块，所以跟它的连接需要通过一个Simulink信号跟机械信号的转换模块实现，这样才能将一个常量作为机械信号给定。因此我们就需要找到信号转换模块及常量模块，Simulink信号跟物理信号转换模块如下图十四所示，常量模块路径如下图十五所示：

图十四：Simulink信号跟物理信号转换模块路径

图十五：常量模块路径示意图

这样，我们将两个模块拖动到仿真文件中，进行连接，如下图十六所示：

图十六：常量模块与理想角度源模块连接示意图

那么为了让电机模块的电机以一定的速度进行旋转，所以这里用了一个常量模块，这个常量模块的值我们可以设定为2*pi，如何修改常量模块的值呢？可以双击该模块，直接修改，参数修改如下图十七所示：

图十七：常量模块值修改

修改之后，模块变为下图十八所示：

图十八：常量模块值修改后的模型

到目前为止，基本模型就搭建完毕了，因为是仿真，我们需求对这个模型求解，因此都会对模型施加一个求解器，求解器的路径跟Simulink信号转为物理信号模块路径一致，我们找到该模块，如下图十九所示：

图十九：求解器模块路径示意图

将该求解器模块拖动到仿真文件中，并进行相应的连接，如下图二十所示：

图二十：求解器模块连接示意图

求解器模块需要进行相应的设置，要设置为本地求解器，并设置相应的仿真时间，具体的设置参数如下图二十一所示：

图二十一：求解器模块参数设置示意图

到目前为止，整个仿真模型就全部搭建好了，当然，电机模块的参数大家可以根据实际的电机手册进行设定，该仿真模型的电机模块参数设置如下图二十二所示：

图二十二：电机模块参数设置

最后，我们要观察反电动势的波形，所以需要电压测量模块、示波器，而示波器是Simulink模块，电压测量模块的输出是物理信号，所以需要将物理信号转换为Simulink信号的模块。电压测量模块的路径如下图二十三所示：

图二十三：电压测量模块路径示意图

物理信号转换为Simulink信号的模块路径如下图二十四所示：

图二十四：物理信号转Simulink模块路径示意图

示波器路径如下图二十五所示：

图二十五：示波器模块路径示意图

这样我们把需要的三个模块都加入到仿真文件中，并进行相应的连接，可以得到完整的模型：

图二十六：最终仿真模型

接下来我们需要运行仿真，这里把仿真时间设置为1，那么点击仿真按钮，最终可以得到下面所示的反电动势波形：

图二十七：仿真设置示意图

图二十八：最终仿真反电动势波形

好了，那么到目前为止，我们已经成功通过仿真能够查看到反电动势的波形了，大家可以以这篇文章做个参考，自己搭建模型实现一遍，那么本篇文章就给大家讲这么多，更多电机驱动相关的知识，可以持续关注本公众号，谢谢大家！

电机控制中MCU的选择应该如何考虑？

大家好，今天我们来聊一聊电机控制中的MCU选型如何考虑？不同应用对器件的要求有很大的区别。目前市场上的控制器/驱动器解决方案各有千秋，包括了针对特定简单应用的标准控制器/驱动器、以及采用外部缓冲栅极驱动器和功率级的MCU、DSP和FPGA。

图一：产品中的MCU示意图

MCU是目前市场主流的电机控制方案，适用于高、中、低端电机控制。通过内部集成的电机控制模块，可简化客户对于电机控制的开发；而相对于DSP较强的控制功能，能更好地实现电机的伺服控制和保护功能。此外在32位处理器，通过提高运算处理速度，也可以很好地实现空间矢量、磁场定位和PD闭环调节的复杂控制。

图二：伺服控制系统示意图

对于小型BLDC冷却风扇等简单的低功耗电机控制应用来说，专用标准电机控制IC可以实现低成本。但对要求苛刻的应用来说，就更适合使用DSP、MCU和FPGA，因为可以增加其他系统管理功能，例如监测电机参数和状态，以及与主机系统的通信等。

 目前，8位MCU主要用于低成本，低性能场合，16位、32位DSP/MCU则用于中/高性能场合。其中DSC的性价比是比较高的。

 关于电机控制方案，DSP、MCU和FPGA各有其优特点。DSP因为数据处理能力强、运算速度快，适用于高端复杂的电机系统控制，如实现交流感应电机的空间矢量控制算法、无传感器的空间定位等，但它依赖于软件算法的成熟度和稳定性，对开发者的要求比较高。此外因为内核电压及接口电平主要是3.3V或者1.8V，对电机驱动器需要相关电平的驱动电路支持。

单片机带DSP的功能一般运用于比较高端的，速度要求比较快的应用。Microchip的16位单片机带有DSP功能，支持定点小数格式数学运算，可以很方便的实现小数乘法。 FPGA有自己的特点，它很灵活，但入门门槛高，单价高。一般用于量不大的领域。

通过上面的介绍，大家应该对MCU、DSP、FPGA各自的特点以及适合的应用场合都有了一些了解了，那么今天主要想跟大家分享在我们电机控制项目中对MCU的选取需要考虑那么东西？

那么我们拿到一个项目，客户会给我们一个项目需求，这个项目需求中会包括整个项目要实现的功能，以及完成这个功能要达到的技术指标，那么选型MCU就需要根据功能及其技术指标来考虑。

对于一个电机控制系统来说，其实有一些MCU的外设模块是必须用到的，例如IO模块、ADC模块、PWM模块、通讯模块、定时器模块、输入捕捉模块。

图三：MCU外设模块示意图

IO模块用于一个简单的输入输出功能的实现，可以用于按键及LED灯的控制。

ADC模块用于模拟量的采集，可以用于旋钮调速、电压采集、电流采集、温度采集等等，在有的电机控制算法中，对模拟量的采集要求并不是很高，所以ADC模块的速率要求就比较低，但是在FOC算法控制中，需要对相电流进行采集，整个算法都是围绕着电流进行的，所以对ADC模块的速率就会有要求了，需要高速ADC，这样才能获取准确的采样位置的电流结果，算法的计算精度就会更加准确。

PWM模块用于输出PWM波驱动逆变桥，从而驱动电机，对PWM模块的要求是要分辨率足够高，如果要驱动三相电机的话，那么就需要至少产生三路PWM信号，如果要做正弦波控制的话，还需要PWM模块能够产生互补PWM信号及死区设定。一般的电机控制系统中，都会对系统进行保护，所以最好PWM模块提供故障输入功能，用于在发生故障时能够及时关断PWM输出，达到保护系统的目的。

通讯模块用于单片机跟外部进行信息传输，比如串口通讯模块，可以支持上位机跟单片机之间的通讯，像串口程序升级、串口调参等等。在有的系统中，485、CAN通讯也会被使用，其目的还是用于单片机跟外界进行数据传输。不同的通讯方式适用场合也不同，有的需要高速数据传输，因此SPI、USB等通讯方式就需要被使用，而有的只是作为一个指令控制，不需要很高的通讯速率，一般普通的串口通讯就可以实现。

定时器模块用于一些定时任务，如需要一段时间执行什么任务，就可以用定时器模块来控制时间，有的单片机定时器模块跟PWM模块是集成在一起的，所以也有PWM波生成的功能，比如STM32单片机就是这样的。

输入捕捉模块用于捕捉外部的数字信号，比如需要测量电机的速度，可以利用输入捕捉模块对霍尔信号进行捕捉，也或者对一个PWM信号进行捕捉，可以得到PWM信号的周期和占空比，这个PWM信号作为电机系统的调速信号使用。

图四：无传感器电机控制MCU资源使用情况示意图

所以，这些模块的选用需要根据项目功能选取，只有项目需求明确了，才能很好的选择需要使用的外设模块。因此，外设模块是MCU选型的一个重要参考。

在MCU选型的时候，还需要考虑CPU的主频，如果主频低了，那么指令执行的时间相对于主频高的单片机就会更长，就无法满足算法的执行时间需求，即使能够实现算法，可能电机执行的效率等方面都不是最佳的状态，因此CPU主频的选取也需要根据项目要求及功能权衡。

最后，价格是大多数项目中MCU选型需要考虑的因素，有的项目，整个项目成本需求就几十块钱，那么如果选用很高档的单片机，势必造成产品价格的偏高，最终导致项目不赚钱甚至亏本，所以，在满足项目需求的功能前提下，单片机的价格越低越好，这样才能做出性价比高的产品，为公司节省更多的成本，赚更多的钱。

本篇文章就给大家分享这么多，更多电机驱动相关的内容，欢迎大家持续关注张飞实战电子，我们会继续分享更多的内容，谢谢大家！

无刷直流电机控制简介

一、概述

从简单的钻机到复杂的工业机器人，许多机器设备都使用无刷直流电机将电能转换为旋转运动。无刷直流电机也称为BLDC电机，相比有刷直流电机具备诸多优势。BLDC电机更高效，所需的维护更少，因而已在许多应用中取代了有刷电机。

图一：电磁场和永磁体磁场示意图

两类电机的运行原理相似，均由永磁体和电磁体的磁极吸引和排斥产生旋转运动。但这些电机的控制方式却大不相同。BLDC需要复杂的控制器才能将单个直流电源转换为三相电压，而有刷电机可以通过调节直流电压来控制。

图二：有刷电机和直流无刷电机对比

二、直流电机的类型

1、传统有刷直流电机

如下图所示，在有刷直流电机中，直流电流通过转子的线圈绕组，使电磁体产生极性。这些转子的磁极与固定永磁体（称为定子）的磁极相互作用，从而使转子旋转。

• 转子每转动半圈之后，需要切换线圈绕组中的电流极性，以对调转子磁极， 使电机保持旋转状态。

• 这种电流极性的切换被称为换相。

• 换相通过机械方式实现：转子旋转的每个半圈中，电触头（称为电刷）与转子上的换相器连成一个回路。

• 这种物理接触会导致电刷随着时间推移而磨损，从而导致电机无法工作。

图三：有刷电机工作原理示意图

2、无刷直流电机

BLDC电机采用电子换相来代替机械换相，克服了有刷电机的上述缺陷。为了更好地理解这一点，有必要进一步了解BLDC电机结构。BLDC 电机与有刷电机构造相反，其永磁体安装在转子中，而线圈绕组则成为定子。

图四：无刷直流电机工作原理示意图

电机的磁体布局不尽相同，定子可能具有不同数量的绕组，而转子可能具有多个极对，如下图所示。

图五：无刷直流电机极对数示意图

3、仿真 BLDC 电机以观察反电动势曲线

BLDC 电机和 PMSM的结构类似，其永磁体均置于转子，并被定义为同步电机。在同步电机中，转子与定子磁场同步，即转子的旋转速度与定子磁场相同。

它们的主要区别在于其反电动势（反 EMF）的形状。电机在旋转时充当发电机。也就是说，定子中产生感应电压，与电机的驱动电压反向。反电动势是电机的重要特征，因为其形状决定了对电机进行最优控制所需的算法。

BLDC电机的设计使其反电动势呈梯形，因此一般采用梯形换相控制。BLDC 梯形反电动势 采用梯形换相控制。

图六：无刷直流电机反电动势波形示意图

PMSM 的反电动势呈正弦波形，因此采用磁场定向控制。PMSM 正弦反电动势采用磁场定向控制

图七：PMSM反电动势波形示意图

在电机控制领域，PMSM 和 BLDC 这两个术语有时会被混用，这可能导致对其反电动势曲线的混淆。本文将 BLDC 电机严格限定为具有梯形反电动势的电机。

图八：BLDC电机仿真查看反电动势波形

图中使用Simulink仿真的是带开路端子的单极对BLDC，即线圈中没有电流通过。如果施加扭矩带动转子，电机将充当发电机。您可以测量 A 相电压随时间变化的情况，从而观察电机的反电动势形状。电压波形显示 BLDC电机的反电动势呈梯形，其中部分区域电压持平。

4、六步换相

为了更好地理解施加外部电压时 BLDC 电机的行为，我们将使用前面介绍的配置，其中转子由单极对组成，而定子由夹角为 120 度的三个线圈组成。让电流通过线圈，给线圈（此处称为 A 相、B 相和 C 相）通电。转子的北极用红色表示，南极用蓝色表示。

一开始，线圈没有通电，转子处于静止状态。在A相与C相之间施加电压（如下图所示），即会沿虚线产生复合磁场。这使转子开始旋转，从而与定子磁场对齐。

图九：定子磁场产生示意图（虚线）

线圈对共有六种通电方法，如下图所示。每次换相后，定子磁场相应旋转，从而带动转子，使之旋转至图示位置。在下图中，转子角度是相对于水平轴而言的，转子共有六种对齐方式，两两相差 60 度。

图十：线圈通电示意图

也就是说，如果每 60 度以正确的相位执行一次换相，电机将连续旋转，如下图所示。此类控制被称为六步换相或梯形控制。

图十一：六步换相（梯形控制）

此类电机可以包含更多极对，但这就要求更为频繁地换相。为了在合适的时机以正确的相位执行电机换相，控制器需要时刻掌握转子的确切位置，对此通常使用霍尔传感器进行测量。

图十二：不同极对数的电机换相角度示意图

5、电机和扭矩产生

下图中箭头表示相对磁力，箭头粗细表示场强。相同磁极相互排斥，从而使转子逆时针旋转。同时，相反磁极相互吸引，从而在同一方向增加扭矩。

转子完成60度旋转后，发生下一次换相。

图十三：磁场作用示意图

将先前讨论的定子磁场叠加到上图中，可以很明显地看出，在这种换相方式中，转子从不对齐定子磁场（图中的黄色虚线），而是一直在追赶定子磁场。

图十四：定子磁场和转子磁场示意图

在BLDC电机中采用这种方式换相有两个原因。首先，如果允许转子和定子磁场完全对齐，此时产生的扭矩为零，这不利于旋转。其次，磁场夹角为90度时可产生最大扭矩。因此，目标是使该夹角接近90度。

图十五：转子磁场和定子磁场夹角示意图

但在BLDC电机中，采用六步换相无法让夹角始终保持90度，夹角将在60度和120度之间波动，如下图所示。 这是因为梯形控制的性质相对简单。磁场定向控制等更先进的方法可实现定子与转子磁场间90度夹角，以此产生更大的扭矩，该方法常用于之前提到的 PMSM 控制。