无刷直流电机控制的 6 个要素

消费者对功率、可靠性、功能性和性能的需求不断上升，推动着电子设备（包括剪草机、冰箱、真空吸尘器、汽车等）的快速发展。制造商希望实现全方位交付。电机控制在兑现这些承诺方面发挥着主要作用，而了解基本原理是实现这一目标的第一步。

不同的电机类型

当今有几种可用的电机控制拓扑结构：有刷、无刷直流 (BLDC)、步进和电感。BLDC 和永磁同步电机 (PMSM) 是两种最密切相关的无刷电机类型。

无刷电机无需使用电机电刷，因而广泛用于当今的许多应用中。这些 BLDC 拓扑结构使用换向逻辑来移动转子，从而提高电机的效率和可靠性。我们来详细介绍一下。

了解 BLDC 和 PMSM 类型的电机

BLDC 和 PMSM 电机的工作原理与同步电机相同。转子在每次换向时都会继续跟随定子转动，所以电机能够持续运转。然而，这两种直流电机的定子绕组采用不同的几何形状，因此可产生不同的反电动势 (BEMF) 响应。BLDC BEFM 为梯形。PMSM 电机的 BEMF 则为正弦曲线形，因此线圈绕组以正弦方式缠绕。为最大限度地提高性能，这些电极通常采用正弦波换向。

BLDC 和 PMSM 电机（图 1）在运行时通过其绕组产生电动势。在任何电机中，由于运动，产生的 EMF 称为反电动势 (BEMF)，这是因为电机中感应的电动势与发电机的电动势相反。

图 1：BLDC 和 PMSM 电机通常使用正弦波换向。

磁场定向控制说明

为实现控制 PMSM 电机的正弦波形，需要使用磁场定向控制 (FOC) 算法。FOC 通常用于最大限度地提高 PMSM 三相电机的效率。与 BLDC 的梯形控制器相比，PMSM 的正弦控制器更为复杂，成本也更高。然而，成本的增加也带来了一些优势，如减少了电流波形中的噪声和谐波。BLDC 的主要优势是更易于控制。最后，最好根据应用需求来选择电机。

带传感器和不带传感器的 BLDC 和 PMSM 电机

BLDC 和 PMSM 电机可带传感器，也可不带传感器。带传感器的电机（图 2）适用于需要在负载条件下起动电机的应用。这些电机使用霍尔传感器，传感器嵌入电极定子中。从本质上说，传感器就是一种开关，其数字输出等同于检测到的磁场极性。电机的每个相都需要使用一个单独的霍尔传感器。三相电机需要三个霍尔传感器。不带传感器的电机需要将电机用作传感器，采用算法来运行。它们依赖于 BEMF 信息。通过对 BEMF 进行采样，可推断出转子的位置，从而无需使用基于硬件的传感器。无论电机的拓扑结构如何，控制这些电机需要了解转子位置，这样电机才能有效换向。

图 2：BLDC 和 PMSM 电机示意图。

电机控制软件算法

如今，计算机程序之类的软件算法（为执行具体任务而设计的一组指令）开始用于控制 BLDC 和 PMSM 电机。这些软件算法通过监控电机运行来提高电机效率，降低运行成本。算法中的一些主要功能包括电机初始化、霍尔传感器位置检测以及用于提高或降低电流基准的开关信号检查。

控制器如何处理电机传感器信息

三相 BLDC 电机具有 6 种状态。如图 3 所示，三位代码可表示 1 至 6 之间的操作码编号。传感器用于通过 8 个操作码中的 6 个操作码（1 至 6）提供三位数据输出。该信息非常有用，因为控制器可确定何时发出了非法操作码，并根据合法操作码（1 至 6）执行操作。算法获取霍尔传感器操作码，并对其进行解码。当霍尔传感器操作码值发生变化时，控制器就会改变送电方案，以实现换向。微控制器使用操作码从查找表中提取送电信息。在使用新的扇区命令给三相逆变器送电后，磁场转移至新位置，同时推动着转子沿着移动方向运动。电机运转时会不断重复此过程。

图 3：三位代码可用于表示 1 至 6 之间的操作码编号。