BLDC 电机的控制原理

概述

本文主要介绍BLDC 电机控制的实现原理，还介绍了3类直流电机的工作方式以及控制的特点。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。掌握直流电机的控制是实现自动化控制的基本技能。

1 无刷电机介绍

1.1 电机原理

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。 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。

有刷直流电机和无刷直流电机的比较：

1.2 电机的类型

1.2.1 有刷直流电机

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。

1.2.2 无刷直流电机（BLDC）

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。

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，如以下动画所示。

无刷直流电机的电势：BLDC 梯形反电动势 采用梯形换相控制

1.2.3 永磁同步电机 (PMSM)

PMSM和BLDC 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

PMSM的电势：正弦反电动势，采用磁场定向控制

2 BLDC 电机控制的概述

2.1 无刷直流 (BLDC) 电机控制介绍

与机械换相或“有刷”电机相比，电子换相或“无刷”电机以其更高的电效率和转矩重量比而一直倍受欢迎。无刷直流 (BLDC) 电机和永磁同步电机 (PMSM)的差异主要如下：

永磁同步电机 (PMSM)的控制方式：

1）采用分布式定子绕组而呈现正弦反电动势

2）只使用磁场定向控制

无刷直流 (BLDC) 电机)的控制方式：

1）采用集中式绕组，其反电动势呈现梯形

2）可选择使用磁场定向控制

2.2 无刷直流电机的控制方法

无刷直流电机通常使用梯形控制，但也会使用磁场定向控制。梯形 BLDC 电机控制是一种比磁场定向控制更简单的方法。通过这种方法，一次仅为两相供电。转矩控制仅需一个 PID 控制器，而且与磁场定向控制相反，它无需使用帕克变换和克拉克变换进行坐标变换。

3 六步换相

3.1 原理简介

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（如动画所示），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。

线圈对共有六种通电方法，如下所示。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 下面的动画中，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。

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，如以下动画所示。此类控制被称为 六步换相或梯形控制。

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。

3.2 电机和扭矩产生

将鼠标悬停在动画上，可查看两极如何相互作用。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。

将先前讨论的定子磁场叠加到动画中，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。

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。

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，如以下动画所示。 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。

4 三相逆变器的工作原理

为了在六步换相过程中控制相位，可使用三相逆变器将直流电引导到三个相，从而在正（红）负（蓝）电流 之间切换。为了向其中一个相供应正电流，需要打开连接到该相的高端开关，要供应负电流，则需要打开低端开关。

当转子与定子磁场夹角在 60 至 120 度之间时，按上述模式执行此操作，三相逆变器可使电机保持匀速旋 转。要改变电机速度，可以调节施加的电压。要在不改变电源电压的前提下控制电机速度，则可以采用脉宽调制 (PWM)。

5 控制模型的建立

使用梯形方法设计 BLDC 电机控制器的电机控制工程师需要执行下列任务：

1） 开发控制器架构，其中包含用于电流/电压内环的 PI 控制器

2） 为可选的转速外环和位置外环开发 PI 控制器

3） 调节所有 PI 控制器的增益以满足性能要求

4） 设计 SVM 控制

5） 设计故障检测和保护逻辑

6） 验证和确认控制器在不同工况下的性能

7） 在微控制器上实现定点或浮点控制器

原文链接：https://blog.csdn.net/mftang/article/details/145789600