无刷直流电机控制简介（可下载）

一、概述

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。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

二、直流电机的类型

1、传统有刷直流电机

如下图所示，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

• 转子每转动半圈之后，需要切换线圈绕组中的电流极性，以对调转子磁极， 使电机保持旋转状 态

• 这种电流极性的切换被称为换相

• 换相通过机械方式实现：转子旋转的每个半圈中，电触头（称为电刷）与转子上的换相器连成一 个回路

• 这种物理接触会导致电刷随着时间推移而磨损，从而导致电机无法工作

2、无刷直流电机

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，如下图所示

3、仿真 BLDC 电机以观察反电动势曲线

BLDC 电机和 PMSM 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

BLDC 电机的设计使其反电动势呈梯形，因此一般采用梯形换相控制。BLDC 梯形反电动势 采用梯 形换相控制

PMSM 的反电动势呈正弦波形，因此采用磁场定向控制。PMSM 正弦反电动势采用磁场定向控制

在电机控制领域，PMSM 和 BLDC 这两个术语有时会被混用，这可能导致对其反电动势曲线的混 淆。本文将 BLDC 电机严格限定为具有梯形反电动势的电机

图中使用 Simulink 仿真的是带开路端子的单极对 BLDC，即线圈中没有电流通过。如果施加扭矩带 动转子，电机将充当发电机。您可以测量 A 相电压随时间变化的情况，从而观察电机的反电动势形状。 电压波形显示 BLDC 电机的反电动势呈梯形，其中部分区域电压持平

4、六步换相

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（如下图所示），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，如下图所示。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。在下图中，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，如下图所示。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

5、电机和扭矩产生

下图中箭头表示相对磁力，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

转子完成 60 度旋转后，发生下一次换相

将先前讨论的定子磁场叠加到上图中，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， 如下图所示。 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

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