三相直流无刷电机控制笔记

一、电机基本知识

电机已经成为我们生活中的重要组成部分。它们存在于从电动汽车到无人机，机器人医疗设备，家电，玩具等其他的各种电子设备中。

电动机可根据其使用的电源类型分为两大类：交流电动机和直流电动机。

交流电机使用交流电源（单相或三相）供电，主要用于需要大量扭矩的工业应用中。直流电机是基于电池或直流电源的应用。交流电机结构简单，运行可靠，但启动特性和调节性能较差，需要通过变频来控制电机速度。而直流电机具有优越的启动特性和调速性能，主要表现为控制性能好，调速范围宽，效率高，广泛应用于工业和民用场合。

直流电机又可以分为三种不同的类型：1）有刷直流电机 ；2）无刷直流电机 ；3）伺服直流电机 。

电动机的工作原理都是基于两个基本定律：安培定律和法拉第定律。简单的说就是，磁场中的载流导体，会受到力的作用（左手定则：让磁感线穿过手掌正面，手指方向为电流方向，大拇指方向为产生磁力的方向）。第二个定律指出，如果导体在磁场中移动，磁场中的导体因受到力的牵引切割磁感线会产生电动势（1.右手定则：让磁感线穿过掌心，大拇指方向为运动方向，手指方向为产生的电动势方向。2.右手螺旋定则：用右手握住通电螺线管，使四指弯曲与电流方向一致，那么大拇指所指的那一端就是通电螺旋管的N极。）。

我们研究的是电机控制，对于电机设计中的关于磁路，磁导率，气隙饱和，去磁曲线等参数的研究意义不大。我们了解电机的基本结构和原理即可。电动机由永磁体和一堆导体绕成的线圈两个主要组成部分，即我们常说的定子和转子。电机运动的本质，基于磁铁同性相斥，异性相吸的事实，实现旋转运动；实际上就是一个磁场在追着另一个磁场运动的过程。

无刷直流电机工作原理示意图如下所示：

1. 先用磁回路分析法来说明两相两极无刷电机的工作原理。

上图中，当两头的线圈通上电流时，根据右手螺旋定则，会产生方向指向右的外加磁感应强度B（如图中粗箭头方向所示），而中间的转子会尽量使自己内部的磁力线方向与外磁力线方向保持一致以形成一个最短闭合磁力线回路，这样内转子就会按顺时针方向旋转。当转子磁场方向与外部磁场方向垂直时，转子所受的转动力矩最大。

上图中，当转子磁场与外部磁场方向一致时，转子所受磁力最大。此时转子呈水平状态，转子力臂为0，力矩为0。虽然不再受到转动力矩的作用，但由于惯性，还会继续顺时针转动。这时若改变两头螺线管的电流方向，转子就会继续顺时针向前转动。

如此不断改变两头螺线管的电流方向，内转子就会不停地转起来。改变电流方向的这一动作，就称为换相。何时换相只与转子的位置有关，而与转子的速度无关。

2. 三相两极无刷电机的工作原理。

以最常用的“三相星形联结的二二导通方式”为列，定子三相绕组星形联结方式的具体接线图如下图所示（转子未画出，假想是个二极磁铁），整个电机就引出三根线A、B、C。当它们之间两两通电时，有六种情况，分别是AB、AC、BC、BA、CA、CB。

下面分别描述这六种情况下每个通电线圈产生的磁感应强度的方向（红、蓝箭头表示）和两个线圈的合成磁感应强度方向（绿色箭头表示）。如下图所示：

当AB相通电，C相不通电，A相定子线圈产生的磁感应强度方向如红色箭头所示；B相定子线圈产生的磁感应强度方向如蓝色箭头所示；A相和B相定子线圈合成的磁感应强度方向如绿色箭头所示；当AB相通电，中间的转子会尽量往绿色箭头方向对齐（中间的转子会尽量使自己内部的磁感应方向与外磁感应方向保持一致）。当转子到达上图（a）中绿色箭头位置时，外线圈换相，改成AC相通电，这时转子会继续运动，并往图（b）中绿色箭头处对齐，往后以此类推。当外线圈完成六次换相后，内转子正好旋转一周。

上图中，遵循AB->AC->BC->BA->CA->CB的顺序进行通电换相。转子逆时针转动。如果想让电机顺时针旋转的话，电子方法是按倒过来的次序通电，物理方法直接对调任意两根线，假设A和B对调，那么顺序就是BA->BC->AC->AB->CB->CA。有刷直流电机采用机械换向，磁极不动，线圈旋转。永磁体为固定定子，绕线线圈为转子。电刷和换向器实现换向，有刷电机的优点是驱动简单，加上直流电源就能控制电机旋转。但是由于电刷和换向器之间有摩擦，造成效率降低，电磁干扰大，寿命短，维护麻烦。无刷电机顾名思义，就是没有电刷，无刷电机采取电子换向，线圈不动，磁极旋转。线圈固定了，那怎么才能产生变化的磁场呢？首先就必须通过霍尔元件，感应永磁体磁极的位置，然后依照定子绕线来决定开启或关闭三组桥式功率MOS管的顺序，适时切换线圈电流的方向，保证产生正确方向的磁力，来驱动电机，消除了有刷电机的缺点。

有刷和无刷电机的主要优缺点总结如下表所示：

二、直流无刷电机的系统组成

直流无刷电机是随着半导体电子技术的发展而出现的新型机电一体化产品，是现代电子技术、控制理论和电机技术相结合的产物。其系统主要包括直流电源、控制器、电动机和确定转子位置的霍尔传感器四部分组成。如下图所示：

1）电源，可以直接以直流电输入；如果是输入交流电就必须先经过AC-DC转换器转成直流电。

2）控制器，无论是交流电源还是直流电源，在输入到电机线圈之前必须将直流电压通过逆变器转成三相电压来驱动电机，这就需由控制器来实现，控制器包括开关主电路，驱动电路，控制电路三部分组成。

a).开关主电路，由6个分立功率器件分上下臂连接电机作为控制流过电机线圈的开关，通常可选择的功率器件有功率晶体管GTR,功率场效应管MOSFET,绝缘晶体管IGBT,可关断晶闸管等。

b).驱动电路，就是驱动功率器件能可靠导通和关断的驱动电路

c).控制电路MCU，MCU通过PWM（脉冲宽度调制）信号，决定功率管开关的频率和电子换向的时机。

3）电动机，在此为三相无刷直流电机

4）转子位置传感器，要让电机转动起来，无刷电机必须换向才能形成旋转磁场，要想根据转子磁极的位置换向时就必须要知道转子的位置。在无刷电机中，一般采用三个开关型霍尔传感器，空间上彼此相差120电角度，用于测量转子的位置。由其输出3位二进制编码信号反馈给MCU . 电子换向时，如果满足定子磁势和转子磁势相互垂直的条件，就能取得最大转矩。

5）安装霍尔传感器会增加电机的体积大小和复杂度，对电机的可靠性和制造带来不利因素。无霍尔传感器无刷电机的控制方法得到越来越广泛的应用。无霍尔无刷直流电机不需要霍尔传感器，通过检测定子绕组的反电动势过零点来判断转子当前的位置。与有霍尔的方案相比，最明显的优点就是降低了成本、减小了体积，且电机引线从8根变为3根，使接线调试大为简化。因为没有霍尔来检测转子位置，在电机静止或低速时，反电动势为零或很小，难以准确检测绕组反电动势，无法得到有效的转子位置信号。需要采用开环方式进行起动，造成电机起动容易产生振动，不合适负载或负载变化很大的场合。

三、直流无刷电机的控制原理

根据转子磁极位置，对定子线圈进行换向通电。其中最关键技术是通过6个功率器件组成的3个半桥来控制线圈的6拍通电方式，形成旋转磁场。其工作过程如下图所示：

上图中A+，B+，C+为上臂功率晶体管，A- ,B- , C-为下臂功率晶体管，6只功率晶体管按一定顺次按一定要求顺次导通，就可实现电机A、B、C三相绕组的轮流通电，产生旋转磁场，如图中所示的通电顺序，B+A- , B+C-,A+C-,A+B-,C+B-,C+A-，如此循环就产生了顺时针的旋转磁场。要电机反转将功率晶体管开启顺序相反即可。需要注意的是同相的上臂和下臂功率管绝对不允许同时导通，否则会造成上下臂短路，烧毁功率管。

改变线圈绕组两端的电压，可以调节电机转速。在电机控制系统中采用单片机产生PWM(脉冲宽度调制）波形，通过控制PWM的不同占空比，则线圈绕组的平均电压可以被控制，从而控制电机转速。PWM 调制方式又分两种：全桥调制和半桥调制。在120℃导通期间，对功率逆变桥的上桥和下桥都采用PWM方式驱动，即“全桥调制”；在120℃导通期间，只对功率逆变桥的上桥（或者下桥）采用PWM方式驱动，下桥（或上桥）恒通，称为“半桥调制”。

全桥调制下MOS管的开关频率是半桥调制方式的两倍左右，损耗比较大，很少用到。半桥调制比较常用，它又分为H-PWM-L-ON (在120℃导通区间内，上桥臂MOS管用PWM调制，下桥臂MOS管恒通）、H-ON-L-PWM(在120℃导通区间内，上桥臂MOS管恒通，下桥臂MOS管用PWM调制）、PWM-ON(前60℃PWM,后60℃恒通）、ON-PWM(前60℃ 恒通,后60℃ PWM)等多种，其调制方式各有特点，需根据应用场合和具体电路选择合适的控制方式。

四、无刷直流电机BLDC的控制方案

目前，BLDC无刷直流电机的整体解决方案共有四大类。

1)MCU +预驱+驱动MOS

2） MCU + [预驱+驱动MOS ]

3）[ MCU +预驱] +驱动MOS

4）SOC方案

各种控制方案的优缺点总结如下：

BLDC无刷直流电机方案

优点

缺点

MCU +预驱+驱动

灵活，IC选择性高，适用于各类大中小功率的控制器

集成度低，PCB板面积较大

MCU +【预驱+驱动】

针对单一功率应用，集成度高，PCB面积较小

功率不能做大

【MCU +预驱】+驱动

集成度较高，MOSFET可以灵活选择，适用于各类中小功率的控制器

由于预驱集成在MCU中，预驱的耐压和驱动能力做不高，无法适应大功率控制器

SOC

集成高，性能高，常用于塑封电机应用场合

功率不能做大

MCU +预驱+驱动 为传统方案，因为大功率有高压和散热问题，因此在高压和大功率系统中，通常采用传统控制方案。随着技术的发展，无刷直流电机的控制整体方案朝着无传感器高集成度方向发展。各个芯片厂商都针对不同细分市场开发了40V/100V/300V/600V等不同耐压，不同驱动能力的差异化产品。搭配不同的电机控制方案，给客户提供了非常灵活的选择。