與有刷直流電機(jī)相比，無刷直流電機(jī)除使用電子換相器取代有刷直流電機(jī)電刷機(jī)械換向，使用永磁體產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)外，從結(jié)構(gòu)和工作原理上都和有刷直流電機(jī)相類似，故其控制策略也和有刷直流電機(jī)類似。

本文重點(diǎn)講解CW32MCU控制驅(qū)動(dòng)的無刷直流電機(jī)的換相控制、調(diào)壓控制、無感BLDC轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)、無感啟動(dòng)策略、PID控制原理、速度調(diào)節(jié)等相關(guān)技術(shù)。

1. 六步梯形換相

本文對(duì)無刷直流電機(jī)的控制都是基于六步梯形控制法。

在Y型連接的BLDC 電機(jī)中，如圖1所示，電機(jī)具有三條引線，每條引線與一個(gè)繞組相連。每個(gè)繞組（或串聯(lián)繞組）與一個(gè)公共點(diǎn)相連，該公共點(diǎn)為所有三個(gè)繞組共同使用。在圖1中，R為定義為紅色，G定義為綠色，B定義為藍(lán)色。

圖1 Y型BLDC電機(jī)原理圖

一個(gè)簡(jiǎn)單的BLDC 電機(jī)的基本構(gòu)造如圖2所示。電機(jī)外層是定子，包含電機(jī)繞組。 電機(jī)內(nèi)部是轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子由圍繞電機(jī)圓周的極性相反的磁極組成，圖2顯示了僅帶有兩個(gè)磁極（南北磁極）的轉(zhuǎn)子。在實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)電機(jī)的轉(zhuǎn)子具有多對(duì)磁極。

當(dāng)電流流過電機(jī)繞組時(shí)電機(jī)起動(dòng)，如圖2中的箭頭所示。在該示例中，紅色（R）引線上施加了正電勢(shì)，而綠色（G）引線上施加了反電勢(shì)。 在這種情況下給電機(jī)繞組充電會(huì)在定子上產(chǎn)生磁場(chǎng)，由N和S標(biāo)記指示。然后轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，以使轉(zhuǎn)子的北磁極與定子磁場(chǎng)的南磁極對(duì)齊。同樣的，轉(zhuǎn)子的南磁極與定子磁場(chǎng)的北磁極對(duì)齊。

圖2 BLDC電機(jī)基本構(gòu)造

圖3說明了六步換相的工作原理。每一步或每一區(qū)間，相當(dāng)于60個(gè)電角度。六個(gè)區(qū)間組成了360個(gè)電角度或一次電氣旋轉(zhuǎn)。

繞組圖中的箭頭顯示了在每一步中流過電機(jī)繞組的電流方向。圖中顯示了在六步換相期間每個(gè)電機(jī)引線上施加的電勢(shì)。六步換相序列使電機(jī)進(jìn)行了一次電氣旋轉(zhuǎn)。

圖3 六步換相電流流向

圖4 六步換相加電順序

六步換相步驟：

1.給紅色繞組加正電。給綠色繞組加負(fù)電。藍(lán)色繞組未通電。

2.給紅色繞組加正電。給藍(lán)色繞組加負(fù)電。綠色繞組未通電。

3.給綠色繞組加正電。給藍(lán)色繞組加負(fù)電。紅色繞組未通電。

4.給綠色繞組加正電。給紅色繞組加負(fù)電。藍(lán)色繞組未通電。

5.給藍(lán)色繞組加正電。給紅色繞組加負(fù)電。綠色繞組未通電。

6.給藍(lán)色繞組加正電。給綠色繞組加負(fù)電。紅色繞組未通電。

每一區(qū)間上都有兩個(gè)繞組通電，一個(gè)繞組未通電。每一區(qū)間均有一個(gè)繞組未通電，是六步控制的重要特征。六步循環(huán)加電，可完成電機(jī)按指定方向旋轉(zhuǎn)。

注意：要保持定子中的磁場(chǎng)超前于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，那么一區(qū)間到另一區(qū)間的轉(zhuǎn)變必須發(fā)生在轉(zhuǎn)子處于特定位置的時(shí)刻，從而獲得最佳轉(zhuǎn)矩。

2. BLDC換相電路

普通直流電動(dòng)機(jī)的電樞在轉(zhuǎn)子上，由定子產(chǎn)生靜止恒磁場(chǎng)。為了使直流電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，需要通過換向器和電刷不斷改變電樞繞組中的電流方向，使定、轉(zhuǎn)子兩個(gè)磁場(chǎng)的方向始終保持相互垂直，從而產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)不斷旋轉(zhuǎn)。

無刷直流電機(jī)為了取消電刷，將電樞繞組移至定子上，而轉(zhuǎn)子由永磁體構(gòu)成。為了使電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來，必須使定子電樞各相繞組不斷地依次換相通電，這樣才能使定子磁場(chǎng)隨著轉(zhuǎn)子位置不斷變化，使定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)始終保持約90°的空間角，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。三相電機(jī)換相電路如圖5所示。

圖5 BLDC換相電路

如圖5所示，T1~T6為功率開關(guān)器件。此開關(guān)器件在低壓電機(jī)電路中多采用MOSFET器件，而在高壓電機(jī)（> 100V）應(yīng)用中，IGBT和高壓碳化硅則較為廣泛。

此BLDC換相電路也稱逆變電路。通過控制此六個(gè)開關(guān)管的開關(guān)順序可實(shí)現(xiàn)的不同繞組加電，完成六步換相要求。當(dāng)開關(guān)管T1和T4導(dǎo)通，其它開關(guān)管截止時(shí)，電流將從繞組A端流入B端流出；當(dāng)開關(guān)管T1、T6導(dǎo)通，其它開關(guān)管截止時(shí)，電流將從繞組A端流入C端流出；當(dāng)T3，T6導(dǎo)通，其它開關(guān)管截止時(shí)，電流將從繞組B端注入C端流出；以此類推，可按要求實(shí)現(xiàn)不同繞組加電，當(dāng)T5、T4導(dǎo)通，其它開關(guān)管截止時(shí)，電流將從繞組C端注入B端流出。其中，任意時(shí)刻不能上下管同時(shí)導(dǎo)通，即，不能T1和T2同時(shí)導(dǎo)通、不能T3和T4同時(shí)導(dǎo)通，不能T5和T6同時(shí)導(dǎo)通。

3. 有感BLDC換相控制邏輯

不同繞組的通電切換，必須在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到相應(yīng)位置時(shí)進(jìn)行，即換相須準(zhǔn)確及時(shí)的進(jìn)行。換相控制是保證無刷直流電機(jī)正常旋轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)。有霍爾傳感器的無刷直流電機(jī)中，一般安裝3個(gè)霍爾傳感器中，間隔60°和120°按圓周分布。如果間隔60°，則輸出波形相差60°電角度。如果間隔120°，則3個(gè)霍爾傳感器的輸出波形相差120°電角度，輸出信號(hào)中高、低電平各占180°電角度。

以120°霍爾式位置傳感器為例，三相無刷直流電機(jī)反電勢(shì)和傳感器輸出信號(hào)間相位關(guān)系見圖6。

圖6 BLDC反電勢(shì)和傳感器信號(hào)

圖6中，HALL-a、HALL-b、HALL-c為三個(gè)霍爾傳感器在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中的波形。EMF-a、EMF-b、EMF-c為電機(jī)反電勢(shì)電壓波形。

由圖可知，無刷直流電機(jī)反電勢(shì)為正負(fù)半波皆有120°平臺(tái)的梯形波，三相間相差為120°；3個(gè)位置傳感器（電角度間距120°傳感器）相差為120°，其上升或下降沿位置即對(duì)應(yīng)定子電樞繞組導(dǎo)通時(shí)刻。如此，可通過對(duì)霍爾傳感器信號(hào)的檢測(cè)，經(jīng)由功率MOSFET或IGBT功率開關(guān)器件構(gòu)成的電子換相電路實(shí)現(xiàn)換相，使電樞繞組依次通電，從而在定子上產(chǎn)生跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，位置傳感器輸出信號(hào)不斷變化，電樞繞組的通電狀態(tài)隨之改變，使得在某一磁極下導(dǎo)體的電流方向始終保持不變，這就是無刷直流電機(jī)的無接觸換相過程。

具體的換相控制方式有2種：二二導(dǎo)通方式和三三導(dǎo)通方式。

1．二二導(dǎo)通方式

二二導(dǎo)通方式是每次使2個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通。以圖5-5為例，其導(dǎo)通順序有：T1、T4→T1、T6→T3、T6→T3、T2→T5、T2→T5、T4，共有6種導(dǎo)通狀態(tài)，每隔60°改變一次導(dǎo)通狀態(tài)，每次改變僅切換一個(gè)開關(guān)管，每個(gè)開關(guān)管連續(xù)導(dǎo)通120°。

當(dāng)T1、T4導(dǎo)通時(shí)，電流流通的方向：電源（+）→T1→A相繞組→B相繞組→T4→地。設(shè)電流流入繞組產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為正，流出繞組產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為負(fù)，則合成轉(zhuǎn)矩大小為T14=√3T，(TA=TB=TC)方向在TA與TB的角平分線上。

無刷電機(jī)正反轉(zhuǎn)與開關(guān)管開關(guān)狀態(tài)及傳感器信號(hào)間關(guān)系如圖7所示。

圖7 120°HALL無刷電機(jī)正反轉(zhuǎn)換相

由圖可知二二導(dǎo)通方式換相控制真值表如表1所示。

表1 120°HALL換相真值表

圖8為一60°HALL安裝的電機(jī)。其極對(duì)數(shù)為2，極數(shù)為4極，3個(gè)霍爾傳感器間隔 60°按圓周分布。因?yàn)闃O對(duì)數(shù)為2，所以一個(gè)機(jī)械周期含2機(jī)電角度周期。在應(yīng)用中，按圖所示的HALL信號(hào)狀態(tài)進(jìn)行繞組換相即可。即當(dāng)HALL ABC狀態(tài)為001、000、100、110、111、011時(shí)，繞組通電順序分別為：A+C-、A+B-、C+ B-、C+A-、B+A-、B+C-。若使電機(jī)按反方向運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)，只需將繞組電流按反向通電即可。即反向控制時(shí)，當(dāng)HALL ABC狀態(tài)為001、000、100、110、111、011時(shí)，繞組通電順序分別為：C+A-、B+A-、B+C-、A+C-、A+B-、C+ B-。

圖8 60°HALL無刷電機(jī)換相

2．三三導(dǎo)通方式

三三導(dǎo)通方式是每次使3個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，有：T1、T5、T4→T1、T4、T6→T1、T3、T6→T3、T6、T2→T3、T5、T2→T5、T2、T4共6種導(dǎo)通狀態(tài)，每隔60°改變一次導(dǎo)通狀態(tài)，每次僅切換一個(gè)開關(guān)管，但是每個(gè)開關(guān)管連續(xù)導(dǎo)通180°。合成轉(zhuǎn)矩大小為T154=1.5TB，TB方向。

二二導(dǎo)通方式很好地利用了方波氣隙磁場(chǎng)的平頂部分，使得電機(jī)的出力大，電磁轉(zhuǎn)矩比三三導(dǎo)通方式大、且轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性好。如不加特別說明，后續(xù)三相H橋的導(dǎo)通控制方式皆指二二導(dǎo)通方式。

二二導(dǎo)通方式在每組繞組導(dǎo)通區(qū)間均有另外一個(gè)繞組未通電，所以二二導(dǎo)通方式也是六步換相控制方式。

在CW32生態(tài)社區(qū)開源的眾多無刷電機(jī)控制DEMO例程中，很好的體現(xiàn)了本文所述的諸多控制方式。