BLDC电机三种常见控制技术及应用案例

无刷直流电机（BLDC）与其他类别的电机（如有刷电机）相比具有一些显著的优势。具体表现为：在任何负载条件下BLDC都能准确调节其性能，同时具有更高的效率和更低的响应时间，且几乎无需维护。这些特性使得BLDC广泛应用于从极小的电机驱动器（如计算机硬盘驱动器）到电动汽车（EV），以及机器人和工业自动化中使用的大机械臂等各种应用中。下面快包分析师以BLDC为例介绍相关的驱动设计方案及应用案例。

对于BLDC电机的控制方案，工程师通常会采用以下三种不同的电流切换技术来实现：

• 一是梯形控制。这是非常简单的电机控制技术，主要缺点是阶跃换向会导致扭矩振荡，尤其是在低速时会出现令人讨厌的电机振动。

• 二是正弦控制。这种技术提供了更平滑的相位之间的电流切换，并减少了扭矩波动，尤其是电机在高速运转时，实现了更平稳的功率传输。当然，达到这一结果是以更大的方案复杂性为代价。

• 三是磁场定向控制（FOC）。这项技术基于定子电流的测量和调节，确保转子和定子磁通之间的角度始终为90˚。与正弦方法相比，该技术在高速运行下更有效，并提供了适应动态负载动态变化的能力。

经典的无刷直流控制器使用半桥拓扑，与全H桥解决方案相比，它只使用两个开关：一个晶体管在高边，一个在低边。由于三相无刷直流电机比单相或两相性能更好、效率更高，已用于大多数机器人和工业自动化应用，因此典型的控制器方案通常都包括三个半桥。通过依次打开和关闭高边和低边晶体管，电流可以流过定子绕组使其旋转。高边开关通常使用脉宽调制（PWM）技术进行控制，该技术将直流输入电压转换为调制的驱动电压。PWM的使用可以实现更高效的管理，并确保对速度和扭矩的更精确控制。

BLDC也被称为电子换向电机，磁场定向控制（FOC）是目前广受欢迎的无刷电机控制技术之一。小华半导体提供从紧凑型多轴运动控制到智能家电应用的解决方案，有广泛的产品组合支持开发BLDC控制应用。

1.高速电机方案

方案可选用HC32M140、HC32M120、HC32F460作为主控，采用无感FOC控制系统，支持单电阻、双电阻采样，可工作在恒转速、恒功率、恒扭矩等模式下。系统最高转速可达12万转（当使用HC32F460时更可高达15万转），适用于高速吹风机、高速吸尘器等产品。

方案特点

快速启动：启动稳定可靠，可在500ms内加速至额定转速

快速停机：采用主动刹车，无过压、过流风险，支持掉电刹车

高速控制：最高电转速可达2000+Hz

工作电压范围大：适用220VAC、110VAC、24VDC供电

丰富的保护功能：过欠压、过流、过功率、堵转、缺相等系统保护

应用场景：

吹风机、扫地机、吸尘器、冰箱、空调、洗衣机等大小家电领域。

2.电动工具方案

方案以HC32M140为主控芯片，基于无传感器六步换相控制算法，实现BLDC电机大扭矩启动和高速运行，保护功能齐全，适用于电钻、角磨机、冲击钻、电动扳手、电锤等低压中小功率电动工具应用场景。

方案特点

48MHz主频、8KB RAM/128KB Flash内存资源、2个独立OPA、高速ADC、电机专用TIMER

基础功能：反电动势过零检测算法（支持ADC和比较器）、电流/电压采样

复杂工况：静止堵转启动、低速大扭矩运行、顺逆风启动、刹车功能

系统保护：过流保护、过压/欠压保护、长时间堵转保护

支持多种转速设定信号（PWM、ADC等）

3.高速吹风筒方案

方案简介：

高速吹风筒方案采用小华超低功耗HC32M120主控MCU，内置先进的无位置传感器FOC控制策略，实现连续平稳的风机调速系统，具备顺风、逆风、静止状态下无抖动即时启动功能，30cm距离测量运行噪音75db以下，为行业中上水平;启动稳定性好，一次启动成功率可达99.7%以上；运行效率高，220V机种，10.5万RPM最高风速档位运行，PCBA级实测输入功率92W，优于市场主流方案。

方案特点：

快速启动：启动稳定可靠，可在500ms内加速至额定转速

快速停机：采用主动刹车，无过压、过流风险，支持掉电刹车

高速控制：最高电转速可达2000+Hz

工作电压范围大：适用220VAC、110VAC、24VDC供电

丰富的保护功能：过欠压、过流、过功率、堵转、缺相等系统保护

芯片资料：

方案采用小华HC32M120主控MCU，M0+ 内核，32bit, 48MHz可确保FOC算法运行，芯片内部集成了电机控制功能：最大12通道的12bit 1MSPS ADC，8个多功能16bit Timer(TimerB)支持输入捕捉、输出比较、PWM输出，1个16bit Timer(Timer0)支持异步计数以及电机算法加速引擎等功能，具备转速精度控制高，电机震动噪声小等优势。

应用场景：

吹风机、扫地机、吸尘器、冰箱、空调、洗衣机等大小家电领域。