概述

本文主要介紹BLDC 電機控制的實現原理，還介紹了3類直流電機的工作方式以及控制的特點。從簡單的鉆機到復雜的工業機器人，許多機器設備都使用無刷直流電機將電能轉換為旋轉運動。掌握直流電機的控制是實現自動化控制的基本技能。

1 無刷電機介紹

1.1 電機原理

無刷直流電機也稱為 BLDC 電機，相比有 刷直流電機具備諸多優勢。BLDC 電機更高 效，所需的維護更少，因而已在許多應用中取 代了有刷電機。 兩類電機的運行原理相似，均由永磁體和電磁體的磁極吸引和排斥產生旋轉運動。但這些電機的控制方 式卻大不相同。BLDC 需要復雜的控制器才能將單個直流電源轉換為三相電壓，而有刷電機可以通過調 節直流電壓來控制。

有刷直流電機和無刷直流電機的比較：

1.2 電機的類型

1.2.1 有刷直流電機

在有刷直流電機中，直流電流通過轉子 的線圈繞組，使電磁體產生極性。這些轉子的磁極與 固定永磁體（稱為定子）的磁極相互作用，從而使轉子旋轉。

1.2.2 無刷直流電機（BLDC）

BLDC 電機采用電子換相來代替機械換相，克服了有 刷電機的上述缺陷。為了更好地理解這一點，有必要 進一步了解 BLDC 電機結構。 BLDC 電機與有刷電機構造相反，其永磁體安裝在轉 子中，而線圈繞組則成為定子。

電機的磁體布局不盡相同，定子可能具有不同數量的 繞組，而轉子可能具有多個極對，如以下動畫所示。

無刷直流電機的電勢：BLDC 梯形反電動勢 采用梯形換相控制

1.2.3 永磁同步電機 (PMSM)

PMSM和BLDC 的結構類似，其永磁體均置于轉子，并被定義為同步電機。在同步電機中，轉子與定 子磁場同步，即轉子的旋轉速度與定子磁場相同。 它們的主要區別在于其反電動勢（反 EMF）的形狀。電機在旋轉時充當發電機。也就是說，定子中產生感 應電壓，與電機的驅動電壓反向。反電動勢是電機的重要特征，因為其形狀決定了對電機進行最優控制所 需的算法

PMSM的電勢：正弦反電動勢，采用磁場定向控制

2 BLDC 電機控制的概述

2.1 無刷直流 (BLDC) 電機控制介紹

與機械換相或“有刷”電機相比，電子換相或“無刷”電機以其更高的電效率和轉矩重量比而一直倍受歡迎。無刷直流 (BLDC) 電機和永磁同步電機 (PMSM)的差異主要如下：

永磁同步電機 (PMSM)的控制方式：

1）采用分布式定子繞組而呈現正弦反電動勢

2）只使用磁場定向控制

無刷直流 (BLDC) 電機)的控制方式：

1）采用集中式繞組，其反電動勢呈現梯形

2）可選擇使用磁場定向控制

2.2 無刷直流電機的控制方法

無刷直流電機通常使用梯形控制，但也會使用磁場定向控制。梯形 BLDC 電機控制是一種比磁場定向控制更簡單的方法。通過這種方法，一次僅為兩相供電。轉矩控制僅需一個 PID 控制器，而且與磁場定向控制相反，它無需使用帕克變換和克拉克變換進行坐標變換。

3 六步換相

3.1 原理簡介

為了更好地理解施加外部電壓時 BLDC 電機的行為，我 們將使用前面介紹的配置，其中轉子由單極對組成，而定 子由夾角為 120 度的三個線圈組成。讓電流通過線圈，給 線圈（此處稱為 A 相、B 相和 C 相）通電。轉子的北極用 紅色表示，南極用藍色表示。 一開始，線圈沒有通電，轉子處于靜止狀態。在 A 相與 C 相之間施加電壓（如動畫所示），即會沿虛線產生復合磁 場。這使轉子開始旋轉，從而與定子磁場對齊。

線圈對共有六種通電方法，如下所示。每次換相后，定子 磁場相應旋轉，從而帶動轉子，使之旋轉至圖示位置。在 下面的動畫中，轉子角度是相對于水平軸而言的，轉子共 有六種對齊方式，兩兩相差 60 度。

也就是說，如果每 60 度以正確的相位執行一次換相，電機將連續旋轉，如以下動畫所示。此類控制被稱為 六步換相或梯形控制。

此類電機可以包含更多極對，但這就要求更為頻繁地換相。為了在合適的時機以正確的相位執行電機換 相，控制器需要時刻掌握轉子的確切位置，對此通常使用霍爾傳感器進行測量。

3.2 電機和扭矩產生

將鼠標懸停在動畫上，可查看兩極如何相互作用。箭頭表示相對磁力，箭頭粗細表示場強。相同磁極相互 排斥，從而使轉子逆時針旋轉。同時，相反磁極相互吸引，從而在同一方向增加扭矩。

將先前討論的定子磁場疊加到動畫中，可以很明顯地看 出，在這種換相方式中，轉子從不對齊定子磁場（圖中的 黃色虛線），而是一直在追趕定子磁場。

在 BLDC 電機中采用這種方式換相有兩個原因。首先，如果 允許轉子和定子磁場完全對齊，此時產生的扭矩為零，這不 利于旋轉。其次，磁場夾角為 90 度時可產生最大扭矩。因 此，目標是使該夾角接近 90 度。

但在 BLDC 電機中，采用六步換相無法讓夾角始終保持 90 度，夾角將在 60 度和 120 度之間波動，如以下動畫所示。 這是因為梯形控制的性質相對簡單。磁場定向控制等更先 進的方法可實現定子與轉子磁場間 90 度夾角，以此產生更 大的扭矩，該方法常用于之前提到的 PMSM 控制。

4 三相逆變器的工作原理

為了在六步換相過程中控制相位，可使用三相逆變器將直流電引導到三個相，從而在正（紅）負（藍）電流 之間切換。為了向其中一個相供應正電流，需要打開連接到該相的高端開關，要供應負電流，則需要打開低端開關。

當轉子與定子磁場夾角在 60 至 120 度之間時，按上述模式執行此操作，三相逆變器可使電機保持勻速旋 轉。要改變電機速度，可以調節施加的電壓。要在不改變電源電壓的前提下控制電機速度，則可以采用脈寬調制 (PWM)。

5 控制模型的建立

使用梯形方法設計 BLDC 電機控制器的電機控制工程師需要執行下列任務：

1） 開發控制器架構，其中包含用于電流/電壓內環的 PI 控制器

2） 為可選的轉速外環和位置外環開發 PI 控制器

3） 調節所有 PI 控制器的增益以滿足性能要求

4） 設計 SVM 控制

5） 設計故障檢測和保護邏輯

6） 驗證和確認控制器在不同工況下的性能

7） 在微控制器上實現定點或浮點控制器