无刷直流电子调速器（ESC）工作原理详解
无刷直流电子调速器（ESC）工作原理详解
BLDC（无刷直流）电子调速器（ESC）是无人机、电动工具等设备中的关键组件。本文将深入探讨其工作原理，从电磁效应到换向控制，再到反馈机制和控制电路设计，帮助读者全面理解这一复杂但重要的技术。
1. 源由
在深入了解控制实现之前，首先需要掌握ESC的工作原理。对于物理专业的同学来说，这些图可能一眼就能看懂。只有理解了底层逻辑，才能更好地掌握工作原理，发现细节之处，更深层次地理解参数特性，从而进行更好的设计。
2. 电磁效应
电磁效应指的是电流产生磁场或磁场影响电流的现象。这个效应是电磁学的基础，主要包括两个方面：
电流产生磁场：当电流通过导体时，会在导体周围产生磁场。这个现象由奥斯特发现，称为电流的磁效应。具体来说，电流的方向决定了磁场的方向（可以用右手定则来判断）。
磁场对电流的作用：当一个导体处于变化的磁场中时，导体中会产生电流，这称为电磁感应。这一现象由法拉第发现，广泛应用于发电机、变压器等设备中。
在BLDC ESC设计中充分应用了这两个特性：奥斯特磁效应和法拉第电磁感应。
3. BLDC换向
电流流过线圈形成磁极，这个电磁极一直吸引着永磁体，从而中间的转子就跟着旋转起来，电机也就运动了。只要保持正确的时间使能电磁极，就能始终让转子朝一个方向旋转，此时，电能转换成动能+热能(I 2 R I^2RI2R)。
4. 换向反馈
换向的反馈部件通常有以下四种：
- Resolver
- Optical Encoder
- Hall-effect
- BEMF（Back ElectroMotive Force）
- 正弦波
- 梯形波
法拉第定律：
V B E M F = − N Δ ( B ∗ A ) Δ t = ω ∗ K e ∗ sin ( θ + φ ) V_{BEMF} = -N \frac {\Delta (B*A)} {\Delta t} = \omega * K_e * \sin (\theta + \varphi)VBEMF =−NΔtΔ(B∗A) =ω∗Ke ∗sin(θ+φ)
- N：线圈匝数
- Δ ( B ∗ A ) \Delta (B*A)Δ(B∗A)：磁通量变化
- A：面积
- Δ t \Delta tΔt：时间变化
- K e K_eKe ：电机BEMF常数（mV/Hz）
- θ \thetaθ：转子角度
- ω \omegaω：电机速度（Hz）
- φ \varphiφ：相位偏移
注：由于本文主要讲解BLDC ESC采用BEMF用于飞控的场景，所以后面将会围绕BEMF展开。
5. 从BEMF检测相位和位置
BEMF通常是3相6阶段，如下图所示：
当B/C相按如下方向通电，引导永久磁芯旋转；A相不通电，但是由于切割磁力线，发生法拉第效应，产生BEMF。
通过模拟电路可以如下方式获取BEMF电动势。
根据公式，通过当前BEMF电动势大小可以映射到当前rotor角度，即进行了转子定位。
6. 控制电路设计
控制电路的逻辑上主要处理以下两个大问题：
- 驱动ABC相，吸引磁极运动
- 控制门电路，检测传感信号
大体上，控制逻辑通过MOSFET进行门电路控制导通
现实AM32设计框图参考：
由于是大功率、大电流设计，还需要考虑一些额外的保护：
- 过流保护（OCP）
- 热关断
- 欠压锁定（UVLO）
- 直通保护
- 锁定检测
- 抗电压浪涌（AVS）
7. 参考资料
【1】BLDC ESC 无刷直流电子调速器简介
【2】AM32开源代码之工程结构
8. 补充
8.1 Motor Winding
8.2 Mechanical v.s. Electrical cycle
- Mechanical cycle：电机完成一次完整旋转所需的时间
- Electrical cycle：转子通过一对磁极所需的时间
m e c h a n i c a l c y c l e = e l e c t r i c a l c y c l e ∗ # o f p o l e p a i r s {mechanical cycle} = {electrical cycle} * {# of pole pairs}mechanicalcycle=electricalcycle∗#ofpolepairs
m e c h a n i c a l s p e e d = e l e c t r i c a l s p e e d # o f p o l e p a i r s {mechanical speed} = \frac{electrical speed} {# of pole pairs}mechanicalspeed=#ofpolepairselectricalspeed