直流无刷电机驱动-方案总图1
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2022-08-03
18:25:57
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MCU软件
控制器
纯数字电路
控制器
方波
BLDC（六步换向法）
正弦波
PMSM（FOC 法）
有传感器
（有感）
无传感器
（无感）
小功率/100W上下
目标尺寸：1cmx2cm
中功率/300W~1kW左右
目标尺寸：3cmx5cm
= ？目标方案
直流无刷电机驱动的架构选择
六步换向法——反电动势为方波/梯形波，适用于 BLDC（直流无刷电机），六步换向法 同一时刻只有两个开关管工作，只对高边进行PWM调制
A相
B相 C相
Ha
Hall元件
S磁极靠近输出1
Hb
Hc
N
S
三路高边测流
VPWR
A B C
一、基本结构（确定好的不宜动）：
二、线圈磁场的六种情况（按照①~⑥控制就形成所谓旋转的磁场）：
三组线圈为定子；
被线圈产生的旋转磁场所牵引的中心的永磁体为转子；
三个Hall元件以电角度相差120°均匀分布在一组线圈（相邻的A/B/C相为一组）边缘，
可以有效的反应 永磁体/转子 的位置；
线圈饶子数必为3的倍数，永磁体磁极数必为2的倍数；电角度指磁场旋转的角度，机械
角度为转子旋转的角度。
A
B C
A
B C
① ②
30°
120° 120°
30°
60°
通电电流方向
合成磁场方向
A
B C
③
A
B C
④
A
B C
⑤
A
B C
⑥
从A+变为B+为逆时针旋转 从B+变为C+为逆时针旋转 从C+变为A+为逆时针旋转
从B-变为C-为逆时针旋转
从C-变为A-为逆时针旋转 从A-变为B-为逆时针旋转
三、根据霍尔元件测得当前永磁体位置（电角度）而建立出旋转的下一步
的磁场指向从而牵引永磁体转向下一步位置：
当永磁体（逆时针）旋转起来后，三路霍尔
元件的时序图如下：
比如，当前三路霍尔元件（Ha/Hb/Hc）为001，则给线圈绕组
通电的情况应该选择⑥，以此类推，构造出 Ha/Hb/Hc 和
A+/A-/B+/B-/C+/C- 的真值表/时序图（如下图），再根据该真值
表做出相应的 MCU软件 或 数字组合逻辑电路，便可转起来。
A+
A-
B+
B-
C+
C-
Ha
Hb
Hc
方波 BLDC 的问题：磁场方向只有六个方向，切换磁场方向时不连续，硬切（所以是方波/梯形波），
换向时电流突变、转矩脉动较大，铁损较高，电机旋转的抖动、转速稳定性、噪声等性能欠佳。
助记：
四、反电动势 BEMF 法 检测/估计 永磁体/转子 位置（无
感方式），低速场景不可用：
三个霍尔元件可以两种方式放置
（黑色和红色）↑
A+ = a*b_n
C- = a*c_n
B+ = b*c_n
A- = a_n*b
C+ = a_n*c
B- = b_n*c
MCU 软件
或
数字组合
逻辑电路
注意，永磁体的S极靠近的霍尔元件输出1
成本高但灵活性高、
可加智能控制功能
成本低，灵活性低，
单纯让电机转起来
位置传感器，如
三路霍尔元件 或 磁编码器
电机分类
雷达图中列出了各种小型电机的性能比较：
不
言
而
喻
一
目
了
然
星型接法（Y形）在每一时刻会有一相线圈悬空，该线
圈上产生反电动势，该电动势会从上次通电的电平逐
渐减小然后反向继续增大到某值，而当反电动势过零
点的时候，磁体/转子 也转到了 目标位置（估计），然
后即可在这一时刻换下一步；反电动势幅度与转速呈
正相关。
如右图所示，黑色虚线为反电动势波形，红线为霍尔
元件输出波形，紫色小竖线为反电动势的过零点；反
电动势的过零点比霍尔元件输出波形滞后约30°；反
电动势的测量是在电机的三相线上。
右图为将反电动势转换为霍尔元件输出波形的仿
真图，EA/EB/EC 为电机的三相线，三路
EMF_HA/HB/HC 信号可以直接替换 原来 有感 方
波 BLDC 的 霍尔信号，实现无感，减少电机引出
的信号线，只三根三相电机线。
引自 https://mp.weixin.qq.com/s/8fIrK7zdr1_uhpaAfetNMQ
无刷直流电机（BLDC）
永磁同步电机（PMSM）
下文多图源自网络，侵删。
反电动势法存在的问题：
大纹波，需要滤波（硬件或软件）。
过零点检测可能比理想点提前或延迟（如下图），
高要求场景 可以/需要 进行补偿，来更精确的调整
换向时刻。一般来说，高速时检测更精准，低速时
延迟较大。
自启动问题需要对待；有最小速度限制。
大的负载突变可能会失锁。
也可以通过MCU和ADC采集三相电压取平均得到
中点电压，然后再与三路相电压比较得到磁估计
位置。
反电动势法实现无感方波BLDC，省传感器成本、省安装传感器、减少接
线、减少传感器等的检修、让电机可以在浸没环境里运行等等优点。
内转子 外转子
XXD2212
电机实物图
典型外转子
Ha
Hc
Hb
Ha
Hb Hc
S
N
这个图中的磁
体表示转子
转子
反电动势法仅适合非位置控制、
非低速、无较大负载突变场景
查阅 n
2
个资料，几页纸讲清楚 BLDC 和 FOC 基本原理，阳谋予尔！
需要软件算法进行自启动（先自锁
再启动）、估计电角度 和 转速
至少需要获取总电流来防烧
至少需要获取总三相电流（通过测一路或两路）
A+ B- A+ C- B+ C- B+ A-
C+ A- C+ B-
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