BLDC电机驱动的换相

这一讲主要讲 BLDC 电机系统控制的

第二个问题，换向问题

下面是一个三向 BLDC 电机的简易换向示意图

那对于 BLDC 电机系统的控制

我们之前已经讲过

我们需要时时地得到转子的位置信息

那我们可以通过传感器或者

无位置传感器的方式来得到我们的转子位置

那根据转子的位置，我们就可以确定

我们的定子的磁场应该怎么样输出

假设转子的磁场方向与A相平行

那现在我们希望转子顺时针去输出

那我们可以导通 C 相

如果我们希望它逆时针输出

我们可以去导通 B 相

那现在假设它按照顺时针的一个方向来运动

那我们现在需要导通 C 相

当转子转到 C 相的时候，我们需要导通 B 相

那到 B 的时候我们我们需要导通 A

那以此类推，那电机就这样控制

下面是一个 BLDC 电机梯形波控制的实际相序图

梯形波控制也叫做六步控制

即在从0到360度周期里面

每隔60度我需要换一次相

所以说在一个周期里面我们就需要换六次相

那这样的话已经就要六步控制，那如图所示

当我们的转子位置在这里的时候

我们如果希望顺时针旋转

那我们可以给 U 和 V 相通电，那从 U+ 到 V-

那以此类推，我们会不断的导通其中的两相

第三相悬空，那这样呢第一就是说控制简单

我们只需要导通两相，控制就会很简单

第二呢就是说第三相

我们可以用来检测它的反电势

可以进行无位置传感器的一个控制

那下面是梯形波的 BLDC 电机系统的

一个相电压相电流以及转矩模型

那可以看到相电流在每一个换向点

都会产生一个电流的一个脉动

那这个脉动呢，会导致我们的输出转矩

也会产生一个脉动

那这个转矩的脉动会导致系统不够平滑

然后噪声也会变得更大一些

那我们如果希望得到一个平滑的一个输出转矩

那我们应该怎么做呢

下面我们介绍正弦波控制方式

正弦波控制方式呢会输出一个平滑的转距

那正弦波控制，也就是说我们希望

相与相之间的电压波形为正弦波

那它的电流波形也是会为正弦波

最后输出的转矩会是一个平滑的一个转距

那怎样产生相与相之间的正弦波呢

我们可以通过相与地之间的

一个马鞍波的波形来构造这个正弦波

那这个马鞍波是怎么去构造出来的呢

我们可以通过 PWM 的一个方式

去模拟这个马鞍波

实际上我们可以通过对这个 MCU 输出的

PWM 波形进行一阶低通滤波

然后我们可以用示波器

去观察它的一个输出波形

实际上就是一个马鞍波

那下面是正弦波控制的电压电流

以及转矩的一个波形

我们可以看到它相电压对地的

一个波形是实际上就是一个马鞍波

那我们之前已经知道马鞍波之间的电压差

实际上就是一个正弦波

那由于相电流也是一个正弦

那最后输出的转矩会是一个平滑的一个转矩

对于一些简单的位置传感器

正弦控制系统而言呢

我们依然是需要在一个周期内

至少检测一次的一个过零点

也就是说通过检测反电势

去得到这样一个过零点

但在这个时候呢

因为检测反电势是不能让这一相去工作的

所以说这里会导致一个电流的一个畸变

也就电流会直接变成零

那这样会导致谐波以及效率的一个下降

下面对这两种控制方式进行一个对比

对于梯形波也就是六步控制来说

因为它是始终是导通两相

第三相始终是关闭的

所以对它的运算能力要求很低

那对于正弦波呢，它始终是导通的是三相

对于它的运算能力实际上是要求比较高的

那第二点呢就是梯形波之前我们也讲过

它有一个电流的一个脉动

也就最后会有一个转矩的输出脉动

那这样的系统就不够平稳

那正弦波呢它是一个非常平稳的

一个转矩的一个输出

同时它效率也很高

那这一点呢就是说梯形波

它可以工作到一个更高的一个转速

比如现在的这种超高速的一个吸尘器

它可以到十多万转

那这样呢我们的正弦波是很难去做的

因为它是受它的 PWM 的一个频率的一个限制

这一讲主要讲 BLDC 电机系统控制的

第二个问题，换向问题

下面是一个三向 BLDC 电机的简易换向示意图

那对于 BLDC 电机系统的控制

我们之前已经讲过

我们需要时时地得到转子的位置信息

那我们可以通过传感器或者

无位置传感器的方式来得到我们的转子位置

那根据转子的位置，我们就可以确定

我们的定子的磁场应该怎么样输出

假设转子的磁场方向与A相平行

那现在我们希望转子顺时针去输出

那我们可以导通 C 相

如果我们希望它逆时针输出

我们可以去导通 B 相

那现在假设它按照顺时针的一个方向来运动

那我们现在需要导通 C 相

当转子转到 C 相的时候，我们需要导通 B 相

那到 B 的时候我们我们需要导通 A

那以此类推，那电机就这样控制

下面是一个 BLDC 电机梯形波控制的实际相序图

梯形波控制也叫做六步控制

即在从0到360度周期里面

每隔60度我需要换一次相

所以说在一个周期里面我们就需要换六次相

那这样的话已经就要六步控制，那如图所示

当我们的转子位置在这里的时候

我们如果希望顺时针旋转

那我们可以给 U 和 V 相通电，那从 U+ 到 V-

那以此类推，我们会不断的导通其中的两相

第三相悬空，那这样呢第一就是说控制简单

我们只需要导通两相，控制就会很简单

第二呢就是说第三相

我们可以用来检测它的反电势

可以进行无位置传感器的一个控制

那下面是梯形波的 BLDC 电机系统的

一个相电压相电流以及转矩模型

那可以看到相电流在每一个换向点

都会产生一个电流的一个脉动

那这个脉动呢，会导致我们的输出转矩

也会产生一个脉动

那这个转矩的脉动会导致系统不够平滑

然后噪声也会变得更大一些

那我们如果希望得到一个平滑的一个输出转矩

那我们应该怎么做呢

下面我们介绍正弦波控制方式

正弦波控制方式呢会输出一个平滑的转距

那正弦波控制，也就是说我们希望

相与相之间的电压波形为正弦波

那它的电流波形也是会为正弦波

最后输出的转矩会是一个平滑的一个转距

那怎样产生相与相之间的正弦波呢

我们可以通过相与地之间的

一个马鞍波的波形来构造这个正弦波

那这个马鞍波是怎么去构造出来的呢

我们可以通过 PWM 的一个方式

去模拟这个马鞍波

实际上我们可以通过对这个 MCU 输出的

PWM 波形进行一阶低通滤波

然后我们可以用示波器

去观察它的一个输出波形

实际上就是一个马鞍波

那下面是正弦波控制的电压电流

以及转矩的一个波形

我们可以看到它相电压对地的

一个波形是实际上就是一个马鞍波

那我们之前已经知道马鞍波之间的电压差

实际上就是一个正弦波

那由于相电流也是一个正弦

那最后输出的转矩会是一个平滑的一个转矩

对于一些简单的位置传感器

正弦控制系统而言呢

我们依然是需要在一个周期内

至少检测一次的一个过零点

也就是说通过检测反电势

去得到这样一个过零点

但在这个时候呢

因为检测反电势是不能让这一相去工作的

所以说这里会导致一个电流的一个畸变

也就电流会直接变成零

那这样会导致谐波以及效率的一个下降

下面对这两种控制方式进行一个对比

对于梯形波也就是六步控制来说

因为它是始终是导通两相

第三相始终是关闭的

所以对它的运算能力要求很低

那对于正弦波呢，它始终是导通的是三相

对于它的运算能力实际上是要求比较高的

那第二点呢就是梯形波之前我们也讲过

它有一个电流的一个脉动

也就最后会有一个转矩的输出脉动

那这样的系统就不够平稳

那正弦波呢它是一个非常平稳的

一个转矩的一个输出

同时它效率也很高

那这一点呢就是说梯形波

它可以工作到一个更高的一个转速

比如现在的这种超高速的一个吸尘器

它可以到十多万转

那这样呢我们的正弦波是很难去做的

因为它是受它的 PWM 的一个频率的一个限制