无感无刷电机控制.docx_无刷直流电机控制方式 - CSDN文库

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无刷无霍尔 BLCD 电机控制

1.概述

无霍尔的 BLDC 控制方案与有霍尔 BLDC 的基本原理相似，都是用所谓“六步换向法”，根据转子

当前的位置，按照一定的顺序给定子绕组通电使 BLDC 电机转动。所不同的是无霍尔 BLDC 不需

要霍尔效应传感器，通过检测定子绕组的反电动势过零点来判断转子当前的位置。与有霍尔的方

案相比，最明显的优点就是降低了成本、减小了体积。且电机引线从 8 根变为 3 根，使接线调试

都大为简化。另外，霍尔传感器容易受温度和磁场等外界环境的影响，故障率较高。因此，无霍

尔 BLDC 得到越来越多的应用，在很多场合正逐步取代有霍尔 BLDC。本文介绍三相 BLDC 电机

的无霍尔控制理论。根据特定的应用场合，具体的实现方法会有所不同.

2 .BLDC 电机结构及驱动方式简介

一个简单的 BLDC 的构造如图 1 所示。电机外层是定子，包含电机绕组。多数 BLDC 都有三个 Y

型连接的绕组，这些绕组中的每一个都是由许多线圈互连组成的。电机内部是转子，由围绕电机

圆周的磁性相反的磁极组成。图 1 显示了仅带有两个磁极（南北磁极）的转子，在实际应用中，

大多数电机的转子具有多对磁极。

图 1 BLCD 基本结构

BLDC 电机驱动电路的基本模型如图 2 所示。通过开关管 Q0-Q5 来控制电机三相绕组的通电状

态，开关管可以为 IGBT 或者功率 MOS 管。其中位于上方即与电源正端连接的开关管称为“上桥”，

下方即与电源负端连接的开关管称为“下桥”。

图 2 BLCD 电机驱动电路基本模型

例如，若 Q1、Q4 打开，其它开关管都关闭，则电流从电源正端经 Q1、A 相绕组、C 相绕

组、Q4 流回电源负端。流过 A、C 相定子绕组的电流会产生一个磁场，由右手定则可知其方向与

B 相绕组平行。由于转子是永磁体，在磁场力的作用下会向著与定子磁场平行的方向旋转，即转

到与 B 相绕组平行的位置，使转子的北磁极与定子磁场的南磁极对齐。类似地，打开不同的上、

下桥臂 MOS 管组合，就可控制电流的流向，产生不同方向的磁场，使永磁体转子转到指定的位

置。要使 BLDC 电机按指定的方向连续转动，就必须按一定的顺序给定子绕组通电。从一种通电

状态到另一种通电状态的切换称为“换相”，例如从 AB 通电变化到 AC 通电。换相使转子旋转到下

一个位置。上下桥臂各 3 个开关管，共六种组合，因此每 60°变化一次，经过六步换相就能使电

机旋转一个电气周期。这就是所谓的“六步换相法”。要使转子具有最大的转矩，理想的情况是使

定子磁场与转子磁场方向垂直。但是实际上由于定子磁场方向每 60°才变化一次，而转子在一直

不停旋转，不可能时刻使它们保持 90°的相位差。最优化的方法就是在每次换相时使定子磁场领

先转子磁场方向 120°电角度，这样在接下来转子旋转 60°的过程中，定子磁场与转子磁场方向

的夹角从 120°变化到 60°，转矩的利用率最高。为了确定按照通电顺序哪一个绕组将得电，必

须知道转子当前的位置。在有霍尔的 BLDC 中，转子的位置由定子中嵌入的霍尔效应传感器检测。

无霍尔 BLDC 电机不借助位置传感器，而是利用电机本身的特征信号来取得与位置传感器类似的

效果，其中应用最多的就是本文下一节要介绍的反电动势法。

3.反电动势法控制 BLDC 电机的原理

BLDC 电机转动时，永磁体转子的旋转在电机内部产生变化的磁场，根据电磁感应定律，每

相绕组都会感应出反电动势（BEMF，Back Electromotive Force）。BLDC 电机的 BEMF 波形

随转子的位置和速度变化，整体上呈现为梯形。图 3 给出了电机旋转一个电周期中电流和反电动

势的波形，其中的实线代表电流，虚线代表反电动势，横坐标为电机旋转的电气角度，根据

BLDC 的“六步换向”控制理论，我们知道在任意时刻三相 BLDC 只有两相通电，另一相开路，三

相两两通电，共有六种组合，以一定的顺序每 60°变化一次，这样产生旋转的磁场，拉动永磁体

转子随之转动。这里的 60°指的是电气角度，一个电周期可能并不对应于一个完整的转子机械转

动周期。完成一圈机械转动要重复的电周期数取决于转子的磁极对数。每对转子磁极需要完成一

个电周期，因此，电周期数/转数等于转子磁极对数。

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