BLDC电机的控制原理
BLDC电机的控制原理
无刷直流（BLDC）电机因其高效、低维护的特点，在众多应用中逐渐取代了有刷电机。本文将深入探讨BLDC电机的控制原理，从电机的基本结构到复杂的控制模型，帮助读者全面理解这一关键技术。
概述
本文主要介绍BLDC电机控制的实现原理，还介绍了3类直流电机的工作方式以及控制的特点。从简单的钻机到复杂的工业机器人，许多机器设备都使用无刷直流电机将电能转换为旋转运动。掌握直流电机的控制是实现自动化控制的基本技能。
1 无刷电机介绍
1.1 电机原理
无刷直流电机也称为BLDC电机，相比有刷直流电机具备诸多优势。BLDC电机更高效，所需的维护更少，因已在许多应用中取代了有刷电机。两类电机的运行原理相似，均由永磁体和电磁体的磁极吸引和排斥产生旋转运动。但这些电机的控制方式却大不相同。BLDC需要复杂的控制器才能将单个直流电源转换为三相电压，而有刷电机可以通过调节直流电压来控制。
有刷直流电机和无刷直流电机的比较：
1.2 电机的类型
1.2.1 有刷直流电机
在有刷直流电机中，直流电流通过转子的线圈绕组，使电磁体产生极性。这些转子的磁极与固定永磁体（称为定子）的磁极相互作用，从而使转子旋转。
转子每转动半圈之后，需要切换线圈绕组中的电流极性，以对调转子磁极，使电机保持旋转状态。
- 这种电流极性的切换被称为换相。
- 换相通过机械方式实现：转子旋转的每个半圈中，电触头（称为电刷）与转子上的换相器连成一个回路。
- 这种物理接触会导致电刷随着时间推移而磨损，从而导致电机无法工作。-- 缺点
1.2.2 无刷直流电机（BLDC）
BLDC电机采用电子换相来代替机械换相，克服了有刷电机的上述缺陷。为了更好地理解这一点，有必要进一步了解BLDC电机结构。BLDC电机与有刷电机构造相反，其永磁体安装在转子中，而线圈绕组则成为定子。
电机的磁体布局不尽相同，定子可能具有不同数量的绕组，而转子可能具有多个极对，如以下动画所示。
无刷直流电机的电势：BLDC梯形反电动势采用梯形换相控制
1.2.3 永磁同步电机（PMSM）
PMSM和BLDC的结构类似，其永磁体均置于转子，并被定义为同步电机。在同步电机中，转子与定子磁场同步，即转子的旋转速度与定子磁场相同。它们的主要区别在于其反电动势（反EMF）的形状。电机在旋转时充当发电机。也就是说，定子中产生感应电压，与电机的驱动电压反向。反电动势是电机的重要特征，因为其形状决定了对电机进行最优控制所需的算法
PMSM的电势：正弦反电动势，采用磁场定向控制
2 BLDC电机控制的概述
2.1 无刷直流（BLDC）电机控制介绍
与机械换相或“有刷”电机相比，电子换相或“无刷”电机以其更高的电效率和转矩重量比而一直倍受欢迎。无刷直流（BLDC）电机和永磁同步电机（PMSM）的差异主要如下：
永磁同步电机（PMSM）的控制方式：
1）采用分布式定子绕组而呈现正弦反电动势
2）只使用磁场定向控制
无刷直流（BLDC）电机的控制方式：
1）采用集中式绕组，其反电动势呈现梯形
2）可选择使用磁场定向控制
2.2 无刷直流电机的控制方法
无刷直流电机通常使用梯形控制，但也会使用磁场定向控制。梯形BLDC电机控制是一种比磁场定向控制更简单的方法。通过这种方法，一次仅为两相供电。转矩控制仅需一个PID控制器，而且与磁场定向控制相反，它无需使用帕克变换和克拉克变换进行坐标变换。
3 六步换相
3.1 原理简介
为了更好地理解施加外部电压时BLDC电机的行为，我们将使用前面介绍的配置，其中转子由单极对组成，而定子由夹角为120度的三个线圈组成。让电流通过线圈，给线圈（此处称为A相、B相和C相）通电。转子的北极用红色表示，南极用蓝色表示。一开始，线圈没有通电，转子处于静止状态。在A相与C相之间施加电压（如动画所示），即会沿虚线产生复合磁场。这使转子开始旋转，从而与定子磁场对齐。
线圈对共有六种通电方法，如下所示。每次换相后，定子磁场相应旋转，从而带动转子，使之旋转至图示位置。在下面的动画中，转子角度是相对于水平轴而言的，转子共有六种对齐方式，两两相差60度。
也就是说，如果每60度以正确的相位执行一次换相，电机将连续旋转，如以下动画所示。此类控制被称为六步换相或梯形控制。
此类电机可以包含更多极对，但这就要求更为频繁地换相。为了在合适的时机以正确的相位执行电机换相，控制器需要时刻掌握转子的确切位置，对此通常使用霍尔传感器进行测量。
3.2 电机和扭矩产生
将鼠标悬停在动画上，可查看两极如何相互作用。箭头表示相对磁力，箭头粗细表示场强。相同磁极相互排斥，从而使转子逆时针旋转。同时，相反磁极相互吸引，从而在同一方向增加扭矩。
将先前讨论的定子磁场叠加到动画中，可以很明显地看出，在这种换相方式中，转子从不对齐定子磁场（图中的黄色虚线），而是一直在追赶定子磁场。
在BLDC电机中采用这种方式换相有两个原因。首先，如果允许转子和定子磁场完全对齐，此时产生的扭矩为零，这不利于旋转。其次，磁场夹角为90度时可产生最大扭矩。因此，目标是使该夹角接近90度。
但在BLDC电机中，采用六步换相无法让夹角始终保持90度，夹角将在60度和120度之间波动，如以下动画所示。这是因为梯形控制的性质相对简单。磁场定向控制等更先进方法可实现定子与转子磁场间90度夹角，以此产生更大的扭矩，该方法常用于之前提到的PMSM控制。
4 三相逆变器的工作原理
为了在六步换相过程中控制相位，可使用三相逆变器将直流电引导到三个相，从而在正（红）负（蓝）电流之间切换。为了向其中一个相供应正电流，需要打开连接到该相的高端开关，要供应负电流，则需要打开低端开关。
当转子与定子磁场夹角在60至120度之间时，按上述模式执行此操作，三相逆变器可使电机保持匀速旋转。要改变电机速度，可以调节施加的电压。要在不改变电源电压的前提下控制电机速度，则可以采用脉宽调制（PWM）。
5 控制模型的建立
使用梯形方法设计BLDC电机控制器的电机控制工程师需要执行下列任务：
1）开发控制器架构，其中包含用于电流/电压内环的PI控制器
2）为可选的转速外环和位置外环开发PI控制器
3）调节所有PI控制器的增益以满足性能要求
4）设计SVM控制
5）设计故障检测和保护逻辑
6）验证和确认控制器在不同工况下的性能
7）在微控制器上实现定点或浮点控制器