无刷直流电机控制的概念及原理

jf_78858299 2023-04-20 2306

电子说

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描述

BLDC电机的控制电路

如果需要电机转动起来，需要给电机转子一个旋转的磁场。对于三相无刷直流电机来说，直流电压源只为三相逆变器提供恒定电压，所以需要通过三相逆变器将直流电转换成三相电流，依次为不同线圈对通电。

BLDC电机通过下图所示三相逆变器电路可以实现电机的换向逻辑，实质上就是通过控制Q0~Q5开关的导通和切断，来控制右侧A、B、C三相电机定子上产生所需要的正弦电压，那么我们需要控制的也就是这六个开关的开关周期。这里涉及到了一个算法，后面我们会讲到，就是空调矢量脉宽调制（SVPWM）。

下图的BLDC电机在非驱动端的定子中嵌入了三个霍尔传感器。上文我们讲到了，当电机每转过60个电角度，其中一个霍尔传感器就会改变状态。所以完成一个点周期需要六步。

逆变器

带霍尔传感器的BLDC电机控制电路

那么对于无霍尔传感器的BLDC电机电路，我们如何判断电机转子的位置呢？

逆变器

无霍尔传感器的BLDC电机控制电路

这里我们需要引入反电动势的概念。当电机转动时，每个线圈绕组都会产生反电动势，根据楞次定律（来拒去留，增缩减扩），该电动势的方向与线圈绕组的电压相反，这个反电动势的极性与励磁电压相反。

霍尔传感器信号、反电动势、输出转矩和电流对照图：

逆变器

我们可以看到每当电机发生换向时，即霍尔传感器信号发生跳变，都有一个绕组为正电，一个绕组为负电，一个绕组保持开路。这时候反电动势的电压极性从正变为负或从负变为正，即反电动势经过零值。这就是我们通过识别反电动势过零点，来识别转速位置换向的过程。

BLDC电机控制算法的选择

简单来说，BLDC电机有两种控制方法：六步换向方波控制，磁场定向控制法（FOC）。

BLDC电机和永磁同步电机（PMSM）的结构大同小异，一般来说PMSM电机的控制通常只用磁场定向控制法。

六步换向方波控制方法比磁场定向控制法更简单，每次只有两相通电，不需要进行Park和Clark变换。但是六步换向方波控制存在比较大的转矩脉动，并且会有比较大的噪音。这里我们只讲磁场定向控制法。

逆变器

一对磁极和两对磁极的 BLDC 电机运行动画

磁场定向控制 (FOC) 是一种高性能交流电机控制策略，可以实现电压矢量控制，从而实现了电机定子磁场的矢量控制，能够保证定子磁场与转子磁场时刻保持在90°，实现一定电流下最大的转矩输出。FOC的低速模式控制性能较好（性能好坏取决于速度反馈方式），正反向切换性能优异，并且FOC可以进行电流（力矩）、速度、角度三个闭环控制。采用正弦波控制，噪音会比方波控制小很多。

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