無刷直流電機(jī)控制的概念及原理

BLDC電機(jī)的控制電路

如果需要電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來，需要給電機(jī)轉(zhuǎn)子一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場。對(duì)于三相無刷直流電機(jī)來說，直流電壓源只為三相逆變器提供恒定電壓，所以需要通過三相逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成三相電流，依次為不同線圈對(duì)通電。

BLDC電機(jī)通過下圖所示三相逆變器電路可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的換向邏輯，實(shí)質(zhì)上就是通過控制Q0~Q5開關(guān)的導(dǎo)通和切斷，來控制右側(cè)A、B、C三相電機(jī)定子上產(chǎn)生所需要的正弦電壓，那么我們需要控制的也就是這六個(gè)開關(guān)的開關(guān)周期。這里涉及到了一個(gè)算法，后面我們會(huì)講到，就是空調(diào)矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）。

下圖的BLDC電機(jī)在非驅(qū)動(dòng)端的定子中嵌入了三個(gè)霍爾傳感器。上文我們講到了，當(dāng)電機(jī)每轉(zhuǎn)過60個(gè)電角度，其中一個(gè)霍爾傳感器就會(huì)改變狀態(tài)。所以完成一個(gè)點(diǎn)周期需要六步。

帶霍爾傳感器的BLDC電機(jī)控制電路

那么對(duì)于無霍爾傳感器的BLDC電機(jī)電路，我們?nèi)绾闻袛嚯姍C(jī)轉(zhuǎn)子的位置呢？

無霍爾傳感器的BLDC電機(jī)控制電路

這里我們需要引入反電動(dòng)勢(shì)的概念。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每個(gè)線圈繞組都會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，根據(jù)楞次定律（來拒去留，增縮減擴(kuò)），該電動(dòng)勢(shì)的方向與線圈繞組的電壓相反，這個(gè)反電動(dòng)勢(shì)的極性與勵(lì)磁電壓相反。

霍爾傳感器信號(hào)、反電動(dòng)勢(shì)、輸出轉(zhuǎn)矩和電流對(duì)照?qǐng)D：

我們可以看到每當(dāng)電機(jī)發(fā)生換向時(shí)，即霍爾傳感器信號(hào)發(fā)生跳變，都有一個(gè)繞組為正電，一個(gè)繞組為負(fù)電，一個(gè)繞組保持開路。這時(shí)候反電動(dòng)勢(shì)的電壓極性從正變?yōu)樨?fù)或從負(fù)變?yōu)檎?，即反電?dòng)勢(shì)經(jīng)過零值。這就是我們通過識(shí)別反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)，來識(shí)別轉(zhuǎn)速位置換向的過程。

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BLDC電機(jī)控制算法的選擇

簡單來說，BLDC電機(jī)有兩種控制方法：六步換向方波控制，磁場定向控制法（FOC）。

BLDC電機(jī)和永磁同步電機(jī)（PMSM）的結(jié)構(gòu)大同小異，一般來說PMSM電機(jī)的控制通常只用磁場定向控制法。

六步換向方波控制方法比磁場定向控制法更簡單，每次只有兩相通電，不需要進(jìn)行Park和Clark變換。但是六步換向方波控制存在比較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，并且會(huì)有比較大的噪音。這里我們只講磁場定向控制法。

一對(duì)磁極和兩對(duì)磁極的 BLDC 電機(jī)運(yùn)行動(dòng)畫

磁場定向控制 (FOC) 是一種高性能交流電機(jī)控制策略，可以實(shí)現(xiàn)電壓矢量控制，從而實(shí)現(xiàn)了電機(jī)定子磁場的矢量控制，能夠保證定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場時(shí)刻保持在90°，實(shí)現(xiàn)一定電流下最大的轉(zhuǎn)矩輸出。FOC的低速模式控制性能較好（性能好壞取決于速度反饋方式），正反向切換性能優(yōu)異，并且FOC可以進(jìn)行電流（力矩）、速度、角度三個(gè)閉環(huán)控制。采用正弦波控制，噪音會(huì)比方波控制小很多。