如何控制 BLDC无刷电机？

BLDC 电机因其在小封装中提供高效率的能力、较长的使用寿命和出色的可控性而备受关注。在本节中，我们将研究如何控制它们以有效利用它们的潜在能力。

旋转是通过不断切换磁通来维持的，这样永磁体就会不断地追逐由线圈感应的旋转磁场。换句话说，U、V 和 W 的通电必须不断切换，以使合成磁通不断移动，从而产生一个不断拉动转子磁铁的旋转磁场。

图 3 显示了通电相和磁通之间的关系。如您所见，依次切换模式 1 到 6 将使转子顺时针旋转一圈。可以通过控制相位变化的速率来控制旋转速度。我们对这里描述的 6 模式控制方法使用名称“120 度传导控制”。

图 3：不断变化的合成磁通不断拉动转子磁铁，导致转子转动。

让我们再看看 U、V 和 W 中电流的性质。为简单起见，让我们看看它如何与 120 度传导控制一起工作。回顾图 3，我们看到在模式 1 中，电流从 U 流向 W；在模式 2 中，从 U 到 V。如图中的箭头所示，通电线圈组合的每次变化都会引起磁通方向的相应变化。

现在看看模式 4。这里我们有电流从 W 移动到 V；这与模式 1 正好相反。对于有刷直流电机，可以使用电刷和换向器实现这种类型的电流反转。BLCD 电机不能根据定义使用电刷或其他机械接触来实现这种反转。相反，他们通常使用逆变器电路来实现这种控制。

通过使用逆变器电路来调整每个线圈的电压，我们还可以控制电流的大小。调节电压的典型方法是使用脉宽调制 (PWM)。在这种方法中，我们通过延长或减少脉冲导通时间（也称为“占空比”：导通时间表示为 ON+OFF 切换间隔的比率）来改变电压。增加占空比与提高电压的效果相同；降低占空比与降低电流具有相同的效果。（见图 5。）

PWM 可以使用配备专用 PWM 硬件的 MPU 来实现。虽然 120 度传导控制只需要两相电压控制并且在软件中相对容易实现，但正弦控制使用三相电压控制并且要复杂得多。因此，合适的逆变器电路对于驱动 BLDC 电机至关重要。请注意，逆变器也可用于交流电机。但是，当提及消费电子产品时使用“逆变器类型”等术语时，它通常指的是 BLDC 电机。

图 5：PWM 输出与输出电压的关系。

改变占空比（每个开关周期内的导通时间）会改变有效电压。

正如我们所见，我们通过不断改变线圈产生的磁通的方向来驱动 BLDC 电机。转子上的永磁体不断追逐变化的旋转磁场，使转子转动。

由于 BLDC 电机控制必须与转子（磁铁）位置协调，因此这些电机通常还包括用于检测该位置的传感器。在转子位置未知时施加电流可能会导致转子转向错误的方向。传感器的使用防止了这个问题。

表 1 列出了这些电机中使用的典型传感器类型。不同类型的传感器用于不同的控制方法。霍尔元件的信号输入间隔为 60º，最适合使用 120 度传导控制的电机——其中所需的只是确定要通电的相位。更精确的传感器——例如旋转变压器和光学编码器——更适合使用矢量控制的电机（见下文），其中通量得到更精细的控制。

虽然传感器具有明显的优势，但它们也有缺点。一些传感器对灰尘的耐受性低，需要定期维护。其他的只能在有限的温度范围内正常运行。传感器的使用以及所有伴随电路的实现增加了制造成本；高精度传感器当然是最昂贵的。目前市场上的“无传感器 BLDC 电机”完全消除了传感器的使用，作为降低零件和维护成本的一种方式。但是在本次会议中，我们将解释操作原理，我们假设使用传感器来跟踪转子位置。

表 1：位置传感器类型和特性

正如我们所见，正弦控制通过利用三相电流平滑控制磁通来实现平滑旋转。120 度导通控制在任一时间只为三相（U、V 和 W）中的两相通电，而正弦控制要复杂得多——因为它必须准确地向所有三相提供不同量的电流。

减少这种复杂性的一种方法是使用矢量控制，其中使用计算来转换坐标空间，允许将 3 相 AC 值作为 2 相 DC 值处理。然而，这种方法只有在高分辨率位置信息可用于这些计算时才有效。获取此信息的一种方法是使用高精度传感器（光学编码器、旋转变压器等）。另一种“无传感器”方式是根据进入每一相的电流幅度来估计位置。在任何一种情况下，坐标空间的转换都允许直接控制与扭矩相关的电流——允许以很少的电流进行高效运行。

矢量控制的实现需要大量的数学处理，包括快速求解转换坐标空间所需的三角函数的能力。用于控制这些电机的 MCU 通常包括一个 FPU（浮点单元），并且必须能够提供可观的处理能力。