BLDC控制.docx
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BLDC控制
BLDC电机控制算法
无刷电机属于自換流型（自我方向轉換），因此控制起来更加复杂。
BLDC电机控制要求了解电机进行整流转向的转子位置和机制。
对于闭环速度控制，有两个附加要求，即对于转子速度/或电机电流以及PWM信号进行测量，以控制电机速度功率。
BLDC电机可以根据应用要求采用边排列或中心排列PWM信号。
大多数应用仅要求速度变化操作，将采用6个独立的边排列PWM信号。
这就提供了最高的分辨率。
如果应用要求服务器定位、能耗制动或动力倒转，推荐使用补充的中心排列PWM信号。
为了感应转子位置，BLDC电机采用霍尔效应传感器来提供绝对定位感应。
这就导致了更多线的使用和更高的成本。
无传感器BLDC控制省去了对于霍尔传感器的需要，而是采用电机的反电动势（电动势）来预测转子位置。
无传感器控制对于像风扇和泵这样的低成本变速应用至关重要。
在采有BLDC电机时，冰箱和空调压缩机也需要无传感器控制。
死区的插入和补充
许多不同的控制算法都被用以提供对于BLDC电机的控制。
典型地，将功率晶体管用作线性稳压器来控制电机电压。
当驱动高功率电机时，这种方法并不实用。
高功率电机必须采用PWM控制，并要求一个微控制器来提供起动和控制功能。
控制算法必须提供下列三项功能：
用于控制电机速度的PWM电压
用于对电机进整流换向的机制
利用反电动势或霍尔传感器来预测转子位置的方法
脉冲宽度调制仅用于将可变电压应用到电机绕组。
有效电压与PWM占空度成正比。
当得到适当的整流换向时，BLDC的扭矩速度特性与一下直流电机相同。
可以用可变电压来控制电机的速度和可变转矩。
功率晶体管的换向实现了定子中的适当绕组，可根据转子位置生成最佳的转矩。
在一个BLDC电机中，MCU必须知道转子的位置并能够在恰当的时间进行整流换向。
BLDC电机的梯形整流换向
对于直流无刷电机的最简单的方法之一是采用所谓的梯形整流换向。
在这个原理图中，每一次要通过一对电机终端来控制电流，而第三个电机终端总是与电源电子性断开。
嵌入大电机中的三种霍尔器件用于提供数字信号，它们在60度的扇形区内测量转子位置，并在电机控制器上提供这些信息。
由于每次两个绕组上的电流量相等，而第三个绕组上的电流为零，这种方法仅能产生具有六个方向共中之一的电流空间矢量。
随着电机的转向，电机终端的电流在每转60度时，电开关一次（整流换向），因此电流空间矢量总是在90度相移的最接近30度的位置
因此每个绕组的电流波型为梯形，从零开始到正电流再到零然后再到负电流。
这就产生了电流空间矢量，当它随着转子的旋转在6个不同的方向上进行步升时，它将接近平衡旋转
在像空调和冰霜这样的电机应用中，采用霍尔传感器并不是一个不变的选择。
在非联绕组中感应的反电动势传感器可以用来取得相同的结果。
这种梯形驱动系统因其控制电路的简易性而非常普通，但是它们在整流过程中却要遭遇转矩纹波问题。
BDLC电机的正弦整流换向
梯形整流换向还不足以为提供平衡、精准的无刷直流电机控制。
这主要是因为在一个三相无刷电机（带有一个正统波反电动势）中所产生的转矩由下列等式来定义：
正弦整流换向无刷电机控制器努力驱动三个电机绕组，其三路电流随着电机转动而平稳的进行正弦变化。
选择这些电流的相关相位，这样它们将会产生平稳的转子电流空间矢量，方向是与转子正交的方向，并具有不变量。
这就消除了与北形转向相关的转矩纹波和转向脉冲。
为了随着电机的旋转，生成电机电流的平稳的正弦波调制，就要求对于转子位置有一个精确有测量。
霍尔器件仅提供了对于转子位置的粗略计算，还不足以达到目的要求。
基于这个原因，就要求从编码器或相似器件发出角反馈。
由于绕组电流必须结合产生一个平稳的常量转子电流空间矢量，而且定子绕组的每个定位相距120度角，因此每个线组的电流必须是正弦的而且相移为120度。
采用编码器中的位置信息来对两个正弦波进行合成，两个间的相移为120度。
然后，将这些信号乘以转矩命令，因此正弦波的振幅与所需要的转矩成正比。
结果，两个正弦波电流命令得到恰当的定相，从而在正交方向产生转动定子电流空间矢量。
正弦电流命令信号输出一对在两个适当的电机绕组中调制电流的P-I控制器。
第三个转子绕组中的电流是受控绕组电流的负和，因此不能被分别控制。
每个P-I控制器的输出被送到一个PWM调制器，然后送到输出桥和两个电机终端。
应用到第三个电机终端的电压源于应用到前两个线组的信号的负数和，适当用于分别间隔120度的三个正弦电压。
结果，实际输出电流波型精确的跟踪正弦电流命令信号，所得电流空间矢量平稳转动，在量上得以稳定并以所需的方向定位。
一般通过梯形整流转向，不能达到稳定控制的正弦整流转向结果。
然而，由于其在低电机速度下效率很高，在高电机速度下将会分开。
这是由于速度提高，电流回流控制器必须跟踪一个增加频率的正弦信号。
同时，它们必须克服随着速度提高在振幅和频率下增加的电机的反电动势。
由于P-I控制器具有有限增益和频率响应，对于电流控制回路的时间变量干扰将引起相位滞后和电机电流中的增益误差，速度越高，误差越大。
这将干扰电流空间矢量相对于转子的方向，从而引起与正交方向产生位移。
当产生这种情况时，通过一定量的电流可以产生较小的转矩，因此需要更多的电流来保持转矩，效率降低。
随着速度的增加，这种降低将会延续。
在某种程度上，电流的相位位移超过90度。
当产生这种情况时，转矩减至为零。
通过正弦的结合，上面这点的速度导致了负转矩，因此也就无法实现。
无刷直流电机原理
1.简介
本文要介绍电机种类中发展快速且应用广泛的无刷直流电机（以下简称BLDC）。
BLDC被广泛的用于日常生活用具、汽车工业、航空、消费电子、医学电子、工业自动化等装置和仪表。
顾名思义，BLDC不使用机械结构的换向电刷而直接使用电子换向器，在使用中BLDC相比有刷电机有许多的优点，比如：
能获得更好的扭矩转速特性；
高速动态响应；
高效率；
长寿命；
低噪声；
高转速。
另外，BLDC更优的扭矩和外形尺寸比使得它更适合用于对电机自身重量和大小比较敏感的场合。
2.BLDC结构和基本工作原理
BLDC属于同步电机的一种，这就意味着它的定子产生的磁场和转子产生的磁场是同频率的，所以BLDC并不会产生普通感应电机的频差现象。
BLDC中又有单相、2相和3相电机的区别，相类型的不同决定其定子线圈绕组的多少。
在这里我们将集中讨论的是应用最为
广泛的3相BLDC。
2.1 定子
BLDC定子是由许多硅钢片经过叠压和轴向冲压而成，每个冲槽内都有一定的线圈组成了绕组，可以参见图2.1.1。
从传统意义上讲，BLDC的定子和感应电机的定子有点类似，不过在定子绕组的分布上有一定的差别。
大多数的BLDC定子有3个呈星行排列的绕组，每
个绕组又由许多内部结合的钢片按照一定的方式组成，偶数个绕组分布在定子的周围组成了偶数个磁极。
BLDC的定子绕组可以分为梯形和正弦两种绕组，它们的根本区别在于由于绕组的不同连接方式使它们产生的反电动势（反电动势的相关介绍请参加EMF一节）不同，分别呈现梯形和正弦波形，故用此命名了。
梯形和正弦绕组产生的反电动势的波形图如图2.1.2和图
2.1.3所示。
另外还需要对反电动势的一点说明就是绕组的不同其相电流也是呈现梯形和正弦波形，可想而知正弦绕组由于波形平滑所以运行起来相对梯形绕组来说就更平稳一些。
但是，正弦型绕组由于有更多绕组使得其在铜线的使用上就相对梯形绕组要多（？
）。
平时由于应用电压的不同，我们可以根据需要选择不同电压范围的无刷电机。
48V及其以下应用电压的电机可以用在汽车、机器人、小型机械臂等方面。
100V及其以上电压范围的电机可以用在专用器具、自动控制以及工业生产领域。
2.2 转子
定子是2至8对永磁体按照N极和S极交替排列在转子周围构成的（内转子型），如果是外转子型BLDC那么就是贴在转子内壁咯。
如图2.2.1所示；
2.3 霍尔传感器
与有刷直流电机不同，无刷直流电机使用电子方式换向。
要使BLDC转起来，必须要按照一定的顺序给定子通电，那么我们就需要知道转子的位置以便按照通电次序给相应的定子线圈通电。
定子的位置是由嵌入到定子的霍尔传感器感知的。
通常会安排3个霍尔传感器在转子的旋转路径周围。
无论何时，只要转子的磁极掠过霍尔元件时，根据转子当前磁极的极性霍尔元件会输出对应的高或低电平，这样只要根据3个霍尔元件产生的电平的时序就可以判断当前转子的位置，并相应的对定子绕组进行通电。
霍尔效应：
当通电导体处于磁场中，由于磁场的作用力使得导体内的电荷会向导体的一侧聚集，当薄平板通电导体处于磁场中时这种效应更为明显，这样一侧聚集了电荷的导体会抵消磁场的这种影响，由于电荷在导体一侧的聚集，从而使得导体两侧产生电压，这种现象就称为霍尔效应，E.H霍尔在1879年发现了这一现象，故以此命名。
图2.3.1显示了NS磁极交替排列的转子的横截面。
霍尔元件安放在电机的固定位置，将霍尔元件安放到电机的定子是比较复杂的，因为如果安放时位置没有和转子的磁场相切那么就可能导致霍尔元件的测量值不能准确的反应转子当前的位置，鉴于以上原因，为了简化霍尔元件的安装，通常在电机的转子上安装一颗冗余的磁体，这个磁体专门用来感应霍尔元件，这样就能起到和转子磁体感应的相同效果，霍尔元件一般按照圆周安放在印刷电路板上并配备了调节盖，这样用户就可以根据磁场的方向非常方便的调节霍尔元件的位置以便使它工作在最佳状态。
霍尔元件位置的安排上，有60°夹角和120°夹角两种。
基于这种摆放形式，BLDC的电流换向顺序由制造厂商制定，当我们控制电机的时候就需要用到这种换向顺序。
注意：
霍尔元件的电压范围从4V到24V不等，电流范围从5mA到15mA不等，所以在考虑控制器时要考虑到霍尔元件的电流和电压要求。
另外，霍尔元件输出集电极开路，使用时需要接上拉电阻。
2.4 操作原理
每一次换向都会有一组绕组处于正向通电；第二组反相通电；第三组不通电。
转子永磁体的磁场和定子钢片产生的磁场相互作用就产生了转矩，理论上，当这两个磁场夹角为90°时会产生最大的转矩，当这两个磁场重合时转矩变为0，为了使转子不停的转动，那么就
需要按顺序改变定子的磁场，就像转子的磁场一直在追赶定子的磁场一样。
典型的“六步电流换向”顺序图展示了定子内绕组的通电次序。
2.5 转矩/转速特性
图2.5.1 转矩和速度特性显示了转矩和转速特性。
BLDC一共有两种转矩度量：
最大转矩和额定转矩。
当电机连续运转的时候表现出来的就是额定转矩。
在无刷电机达到额定转速之前，转矩不变，无刷电机最高转速可以达到额定转速的150%，但是超速时电机的转矩
会相应下降。
在实际的应用中，我们常常会让带负载的电机启动、停转和逆向运行，此时就需要比额定转矩更大的转矩。
特别是当转子静止和反方向加速时启动电机，这个时候就需要更大的转矩来抵消负载和转子自身的惯性，这个时候就需要提供最大的转矩一直到电机进入正向转矩曲线阶段
2.6BLDC和其他类型电机比较
3.换向时序
图2.6.1显示了霍尔元件的输出、反电动势和相电流的关系。
图2.6.2显示了根据霍尔元件输出的波形应该给绕组通电的时序。
图2.6.1中的通电序号对应的就是图2.6.2中的序号，每隔60°夹角其中一个霍尔元件就会改变一次其输出特性，那么一圈（通电周期）下来就会有6次变化，同时相电流也会每60°改变一次。
但是，每完成一个通电周期并不会使转子转动一周,转子转动一周需要的通电周期数目和转子上的磁极的对数相关，转子有多少对磁极那么就需要多少个通电周期。
图2.6.3是关于使用MCU控制无刷电机的原理图，其中微控制器PIC18FXX31控制Q0-Q5组成的驱动电路按照一定的时序为BLDC通电，根据电机电压和电流的不同可以选择不同的驱动电路，如MOSFET、IGBT或者直接使用双极性三极管。
表2.6.1和表2.6.2表示的是基于霍尔输入时在A、B、C绕组上的通电时序。
表2.6.1是转子顺时针转动的时序，表2.6.2是转子逆时针转动的时序。
上面两个表格显示的是当霍尔元件呈60°排列时的驱动波形，前面也提到霍尔元件还可以呈120°的夹角排列，那么这个时候就需要相应的驱动波形，这些波形都可以在电机生产商的资料里找到，应用时需要严格遵守通电时序。
如图2.6.3所示，假设驱动电压和电机运行时的电压相等（包括驱动电路本身的损耗），当PWMx按照给定的时序开和关时无刷电机将会以额定的转速旋转。
为了调速，我们使用远高于电机运转频率的PWM波驱动电机，通常我们需要至少10倍于电机最高频率的PWM驱动波形。
当PWM驱动波形的占空比变化时，使得其在定子上的有效电压变化，这就实现了无刷电机的调速，另外，当驱动电源电压高于电机本身的额定电压时，我们可以调节PWM的占空比来使得驱动电源电压适合电机的额定驱动电压。
可想而知，我们可以使用同一个控制器去挂接不同额定电压的电机，此时只需要用控制器改变一下PWM的占空比就行了。
另外还有一种控制方式：
当微控制器的PWM输出不够用时，可以在整个通电时序内将上臂一直导通（即上臂不使用PWM）而下臂使用PWM驱动。
图2.6.3中连接数字和模拟转换通道的分压电路提供了一定速度的参考电压，有了这个电压，我们就可以计算PWM波形的有效值。
3.1 闭环控制
我们可以通过闭环测量当前电机的转速而达到控制电机的转速的目的，我们通过计算期望转速和实际转速的误差，然后使用PID算法去调节PWM的占空比以达到控制电机转速的目的。
对于低成本，低转速的应用场合，可以使用霍尔传感器获得转速反馈。
利用PIC18FXX31微控制器本身的一个定时器去测量两个霍尔元件输出信号，然后根据这个信号得出实际的转速。
在高转速应用场合，我们可以在电机上装上光电编码器，可以利用其输出相差90°的信号进行转速和转向的测量。
通常，光电编码器还可以输出PPR信号，使得可以进行较精确的转子定位，编码器的编码刻度可以上百甚至上千，编码刻度越多，精度越高。
4.反电动势（BACKEMF）
根据楞次定律，当BLDC转动时其绕组会产生与绕组两端电压相反方向的反向电压，这就是反电动势（BACKEMF）。
记住，反电动势和绕组所加电压是反向的。
决定反电动势的主要因素有以下几点：
转子的角速度；
转子永磁体的磁场强度；
每个定子绕组缠绕的线圈数量。
计算反电动势的公式：
BackEMF=（E）∝NlBw
其中：
N为每相绕组的线圈数量
L转子的长度
B为转子的磁通密度
W为转子的角速度
当电机一旦做好，那么其绕组的线圈数量和永磁体的磁通密度就定了，由公式可知，唯一决定反电动势的量就是转子的角速度（也可以换算为线速度）且角速度和反电动势成正比。
厂家一般会提供电机的反电动势常量，通过它我们可以用来估计某一转速下反电动势的大小。
绕组上的电压等于供电电压减去反电动势，厂家在设计电机的时候会选取适当的反电动势常量以便电机工作时有足够的电压差可以使电机达到额定转速并具有足够的转矩。
当电机超过额定转速工作时，反电动势会持续上升，这时加在电机绕组间的有效电压会下降，电流会减少，扭矩会下降，当反电动势和供电电压相等的时候，电流降为0，扭矩为0，电机达到极限转速。
5.无传感器BLDC控制
目前为止，我们所讨论的都是基于霍尔元件获取电机转子位置的换向器控制方式，其实可以直接通过测量电机反电动势而知道转子的位置，在图2.6.1中已经可以比较清晰的看出反电动势和霍尔元件输出信号之间的关系。
通过前些章节的讨论，我们可以看出在任何时候，电机的绕组都是有一相为正向通电、一相为反向通电和另外一相为不通电。
当某相反电动势反向的时候霍尔传感器的输出也跟着
变化。
理想状态下，霍尔元件的输出会在相反电动势过零的时候发生改变，实际应用时会有一段小的延迟，这种延迟可以通过微控制器补偿。
图3.1.1为利用反电动势过零检测的方式来控制BLDC。
还有一方面需要考虑：
当电机转速比较低的时候，反电动势会比较小，以致过零检测电路无法正常检测，这个时候在电机启动阶段就需要使用开环控制，当电机启动到产生可以过零检测的反电动势转速时，系统就需要切换到过零检测控制模式，进行闭环控制。
最低的过零检测转速可以根据电机的反电动势常量计算出来。
根据这个原理，可以去除霍尔元件以及因其安装的辅助磁体，这样就可以简化制造节约成本。
另外，除去了霍尔元件的电机可以安装在一些粉尘和油污比较大的地方而无须为保证霍尔的正常工作而定时进行清理，与此同时，这种免维护电机还可以安装在人很难触及的地方。
6.选择合适的BLDC
为实际应用选择合适的电机是至关重要的。
根据电机的负载特性，需要确定合适的电机参数。
其主要参数有以下几点：
应用是的最大扭矩要求；
平方根（RMS）扭矩需求；
转速要求。
6.1 最大扭矩
最大的扭矩可以通过将负载扭矩、转动惯量和摩擦力相加得到。
另外，还有一些额外的因素影响最大需求扭矩如：
气隙空气的阻力等，这就需要至少20%的扭矩余量，综上所述，有以下等式：
TJ为电机启动或加速过程需要克服的转动力矩，其主要包括电机转子的转动力矩和负载的转动力矩，其表示为：
上式中α为加速度，JL+M为定子和负载的转动力矩。
电机的机械轴决定电机的负载力矩和摩擦力。
6.2 平方根扭矩
可以近似的认为平方根扭矩为实际应用中需要的持续输出扭矩。
它由很多因素决定：
最大扭矩、负载扭矩、转动惯量、加速、减速以及运行时间。
下面的等式表示了平方根扭矩的计算，其中TA为加速时间、TD为减速时间和TR为运行时间。
6.3 转速
这是有应用需求的转速。
比如，吹风机的转速需求是，最高转速和平均转速相差不大，显然在一些点对点定位系统如传送带和机械臂系统中就需要大转速范围的电机，可以根据电机的转速梯形曲线（）确定电机的转速需求。
通常，由于其他因素，在计算电机转速需求的时候需要留有10%余量。
7.BLDC典型应用
BLDC的应用十分广泛，如汽车、工具、工业工控、自动化以及航空航天等等。
总的来说，BLDC可以分为以下三种主要用途：
持续负载应用
可变负载应用
定位应用
7.1 持续负载应用
这种应用主要用于那些需要一定转速但是对转速精度要求不高的领域，比如风扇、抽水机、吹风气等一类的应用。
通常这类应用成本比较低且多是开环控制。
7.2 可变负载应用
这类主要指的是电机转速需要在某个范围内变化的应用，在这类应用中主要对电机的高转速特性和动态响应特性有更高的要求。
家用器具中的洗衣机、甩干机和压缩机就是很好的例子。
在汽车工业领域，油泵控制、电控制器、发动机控制和电子工具等也是很好的例子。
在航空领域也有很多的应用，比如离心机、泵、机械臂、陀螺仪等等。
这个领域中多使用电机反馈器件组成半开环和闭环进行控制。
这就需要复杂的控制算法，增加了控制器的复杂程度也增加了系统成本。
7.3 定位应用
大多数的工业控制和自动控制方面的应用属于这个类别。
在这些应用中往往会完成能量的输送，如齿轮或者传送带，因此系统对电机的转速的动态响应和转矩有特别的要求，同时这些应用也可能需要随时的改变电机的转向，电机可能工作在匀速，加速，减少阶段，而且有可能在这些阶段中负载也在变化，所以这对控制器提出了更高的要求，通常这种控制使用闭环控制，甚至会有扭矩环、速度环和位置环三个控制环。
测速时可能会用上光电编码器和一些同步设备。
有时候这些传感器会被用于测量相对位置，也有时候用于测量绝对位置。
过程控制、机械控制和运输控制很多都属于这类应用
8.总结
总的来说，无刷电机相对传统的有刷电机、感应电机而言，它拥有高的转速/扭矩比、好动态特性、高效率、长寿命、低噪声、宽转速范围和制造容易等等优良特性。
特别是去单位体积的功率输出特性使得其可以用于对尺寸和重量敏感的场合。
这些优良的特性使得
BLDC在工业控制领域、汽车工业、航空航天等等领域有着非常广泛的应用
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