BLDC基本原理及电路设计

无刷直流 (BLDC) 电机在各种各样的应用中广受青睐，如计算机冷却风扇、磁盘驱动器、无线电动工具、电动自行车以及电唱机转盘。 随着价格持续下降，电机将得到甚至更广泛的应用，对成本最为敏感的应用则另当别论。 然而，随着需求的增加，人们也越来越多地要求 BLDC 电机运行更平滑、更高效、更安静。　　

虽然正弦控制是达到这些目标的最佳方式，但相对于更为传统的梯形控制技术，这种控制则会增加成本和复杂性。 本文将讨论 BLDC 电机控制的基本原理，以及使用正弦控制而不是梯形控制的原因。 本文还将介绍一些现成的商业解决方案，包括集成式电机驱动器和控制器芯片等形式，这些方案可用于更加轻松地过渡到正弦控制并加快设计流程。　　

BLDC 电机基本原理　　

BLDC 电机通过反向电机设置消除了使用机械换向器的要求；绕组成为定子，永磁体成为转子的一部分。 绕组通常由使用脉冲宽度调制 (PWM) 控制的六 MOSFET 电桥供电，它们按照控制次序进行转向，产生旋转磁场，从而“拖拽”围绕它的转子并驱动相连的负载（图 1）。 

换向由转子和定子的相对位置确定，具体则通过霍尔效应传感器测量，或通过电机转动时生成的反电动势 (EMF) 幅度测量（限无传感器电机）。　　

目前有三种电子换向控制方案：梯形、正弦和磁场定向控制 (FOC)。 FOC 实现成本高，专用于高端应用，因此本文不做讨论。　　

对于许多应用，梯形控制的 BLDC 电机是最佳解决方案。 这类电机结构紧凑、性能可靠，且价格也在迅速下降，因此尤其适合许多小型电机应用，包括汽车、白色家电和计算机。　　

此外，梯形技术最容易实现，因此也最受欢迎。 电机每相由直流供电，每 60? 进行换向。 相位驱动为“高”、“低”或保持浮动状态。　　理论上，这样的系统可产生平滑、恒定扭矩。 实际上，特定相位的电流不可能瞬间由低转为高。 相反，所导致的上升时间在输出中生成与转向定时一致的波纹。

正弦替代方式：“鞍形”图　　实践中极少使用纯正弦驱动电压，因为相对于接地而言，为每个电机端子生成电压的效率很低。 一个更好的方法就是在相位间生成正弦差分电压，相位偏移 120? 进行换向。 实现方式是通过使用“鞍形”图（而不是正弦）改变相对于接地的 PWM 占空比（以及驱动电压）（图 3）。 随后，驱动电机的相电流就遵循相间电压的纯正弦波变化。

鞍形图方法有两个优点： 第一，所产生的最大差分电压要高于纯正弦信号所能产生的电压，因而给定输入的扭矩和速度也更大。 第二，每个端子 1/3 时间输出为零，进一步减少了功率级中的开关损耗。　　

正弦控制方法的一个复杂之处在于：根据形成鞍形电压输入所必需的电机角度来精确控制占空比。 这在高速旋转时甚至变得更加困难。 挑战主要在于每转只能精确确定电机位置六次，而转子的其中一个磁极经过三个霍尔传感器中的一个。 例如，FRDM-KE04Z 常用的解决方案是将电机角速度乘以 ?T 并假定电机速度恒定，从而估算霍尔传感器之间的电机角度 (“mtrAngle”)。　　

然后使用查询表确定特定角度的 PWM 占空比。 在 FRDM-KE04Z 中，查询表为电机旋转的每个角度（实际 384 个增量）提供占空比。　　

此类方法利用了使用鞍形图的附带影响。 特别说明：由于特定相位的电压值在三分之一时间内为零，这段时间不需要查询，因而需要的处理器资源更少，并允许在应用中使用更普通的低成本 MCU。

这种方法的缺点是启动阶段电机快速加速时，霍尔传感器之间的电机速度插值很可能不精确。 这会导致扭矩响应不平稳。　　

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