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)動起來，需要給電機(jī)轉(zhuǎn)子一個旋轉(zhuǎn)的磁場。對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開關(guān)的開關(guān)周期。這里涉及到了一個算法，后面我們會講到，就是空調(diào)矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）。

下圖的BLDC電機(jī)在非驅(qū)動端的定子中嵌入了三個霍爾傳感器。上文我們講到了，當(dāng)電機(jī)每轉(zhuǎn)過60個電角度，其中一個霍爾傳感器就會改變狀態(tài)。所以完成一個點(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勢的概念。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，每個線圈繞組都會產(chǎn)生反電動勢，根據(jù)楞次定律（來拒去留，增縮減擴(kuò)），該電動勢的方向與線圈繞組的電壓相反，這個反電動勢的極性與勵磁電壓相反。

霍爾傳感器信號、反電動勢、輸出轉(zhuǎn)矩和電流對照圖：

我們可以看到每當(dāng)電機(jī)發(fā)生換向時，即霍爾傳感器信號發(fā)生跳變，都有一個繞組為正電，一個繞組為負(fù)電，一個繞組保持開路。這時候反電動勢的電壓極性從正變?yōu)樨?fù)或從負(fù)變?yōu)檎捶措妱觿萁?jīng)過零值。這就是我們通過識別反電動勢過零點(diǎn)，來識別轉(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，并且會有比較大的噪音。這里我們只講磁場定向控制法。

一對磁極和兩對磁極的 BLDC 電機(jī)運(yùn)行動畫

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、角度三個閉環(huán)控制。采用正弦波控制，噪音會比方波控制小很多。