无刷直流电机控制简介                                     
无刷直流 (BLDC) 电机在汽车（尤其是电动汽车 (EV)）、HVAC、白色家电和工业等领域越来越受欢迎，因为它摒弃了传统电机所使用的机械换向器，用能提高装置可靠性与耐用性的电子器件取而代之。

BLDC 电机的另一个优势是，在保持同等功率输出的情况下，可以比有刷型做得更小、更轻，特别适合空间受限型应用。

劣势是 BLDC 电机必须要使用电子管理系统才能运行。例如，需要使用微控制器（借助传感器的输入来指示转子位置）在正确的时刻激励定子线圈。精确的定时功能可以实现精确的速度和扭矩控制，还可确保电机以峰值能效运行。

本文阐述了 BLDC 电机的基本运行知识以及控制三相装置的典型控制电路。此外，本文还介绍了一些专为 BLDC 电机控制而设计的集成模块，设计人员可选用这些模块来简化电路设计。

无刷方式的优势

传统电机的电刷可将电力输送到转子绕组，绕组在激励后会形成固定磁场。固定电刷与旋转转子上的旋转金属触头之间的摩擦会造成磨损。此外，由于电刷与金属触头接触不良和电弧放电，也可能导致功率损耗。

由于 BLDC 电机摒弃了电刷，代之以“电子换向器”，因此消除了这种磨损和功率损耗来源，进而提升了电机的可靠性和能效。除此之外，与有刷直流电机和感应电机相比，BLDC 电机还拥有其他多种优势，包括更好的速度比扭矩特性、更快的动态响应、无噪声操作以及更高的速度范围。1

另外，其输出扭矩相对于电机尺寸的比率更高，因而非常适合洗衣机和电动汽车等应用。这些应用需要高功率，但也将紧凑性和轻量性视为关键因素。（然而，应该注意的是有刷直流电机有更高的起动扭矩。）

BLDC 电机属于“同步”型设备，因为转子与定子产生的磁场可以相同的频率旋转。这种布置的一个好处是 BLDC 电机不会经历感应电机通常会发生的“打滑”情况。

该电机可分为单相、双相或三相类型，其中三相是最常用的，也是本文要探讨的类型。

BLDC 电机的定子由钢片组成且采用轴向开槽，可沿着内部圆柱面容纳偶数个绕组（图 1）。虽然 BLDC 电机的定子类似于感应电机的定子，但绕组的分布方式有所不同。
图 1：BLDC 电机定子，显示了开槽钢环以及轴向绕组。（图片由 Microchip 友情提供。）

转子采用永久磁体制造，具有两到八个 N-S 磁极对。增加磁体对可提高扭矩，消除所谓的扭矩波动，从而让电机的功率输送更加均衡。缺点则是控制系统更加复杂、成本提高且最高速度降低。

过去，业界使用铁氧体磁性材料制造永久磁体，但现代工厂倾向于使用稀土磁性材料。尽管这些磁性材料更加昂贵，但它们可以产生更大的磁通密度，用更小的转子达到给定扭矩。这些高强度磁性材料的使用是 BLDC 电机比同尺寸的有刷直流电机输出更高功率的一个重要原因。

如需详细了解 BLDC 电机的构造和运行信息，请参考 Microchip Technology 发布的相关应用说明 (AN885)。2

基本运行知识

BLDC 电机的电子换向器会依序激励定子线圈，产生旋转电磁场，从而“拖拽”转子随之旋转。N 次“电子转动”相当于一次机械转动，其中 N 表示磁体对数量。

对于三相电机，定子中会嵌有三个霍尔效应传感器，向控制器指示定子和转子的相对位置，从而确保其在正确的时间按照正确的顺序激励绕组。霍尔传感器通常安装在设备的非驱动端（图 2）。
图 2：霍尔传感器内嵌在 BLDC 电机的定子中，用于确定绕组的激励顺序。（图片由 Microchip 友情提供。）

当转子磁极经过霍尔传感器时，即会产生一个高强度（对于一个磁极）或低强度（对于相对磁极）信号。具体的换向顺序可通过结合这三个传感器发来的信号加以确定，具体如下所述。

所有电机均会由于绕组通过相关磁场的运动而产生电压电位。这种电位称为电动势 (EMF)，而且，根据楞次定律，它会在绕组中产生电流，而其磁场会抗拒磁通量的原始变化。简单地说，这意味着电动势倾向于抵抗电机的旋转，因此又称为“反”电动势。在既定电机磁通量和绕组数固定的情况下，电动势与转子的角速度成正比。

不过，反电动势固然会对电机造成一些“拖累”，但也存在有益之处。通过监控反电动势，微控制器可以在无需使用霍尔效应传感器的情况下，确定定子和转子的相对位置。这可以简化电机构造、降低成本，同时省去因支持传感器而进行的额外电机连线和连接，进而在有灰尘和湿气的环境下提高其可靠性。

然而，固定式电机不会产生反电动势，因此微控制器无法在启动时确定电机元器件的位置。解决方法就是在开环配置方式下启动电机，直到产生的电动势足以供微控制器开启电机监控。这些称作“无传感器”的 BLDC 电机越来越受欢迎。

控制 BLDC 电机

虽然 BLDC 电机在机械上相对简单，但它们需要更复杂的电子控制器件和稳压电源。设计人员所面临的挑战就是：提供能够通过精确控制来实现高效运行的三相高功率系统。

图 3 显示了驱动采用霍尔效应传感器的 BLDC 电机的典型布局。（有关使用反电动势测量值来控制无传感器 BLDC 电机的内容将在以后的文章中介绍。）在该系统中，电机的三个线圈呈“Y”形排列，另外还有一个 Microchip PIC18F2431 微控制器、一个绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 驱动器以及一个由六个 IGBT 组成的三相逆变器（亦可使用金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 实现高功率开关功能）。微控制器的输出（由 IGBT 驱动器镜像）含有脉冲宽度调制 (PWM) 信号，可确定线圈的平均电压和平均电流（进而确定电机的速度和扭矩）。电机使用了三个霍尔效应传感器（A、B 和 C）来指示转子位置。转子本身则使用两对永久磁体产生磁通量。
图 3：采用 8 位微控制器的 BDLC 电源控制系统。（图片由 Microchip 友情提供。）

该系统采用六步换向序列实现每次电子转动。由于电机具有两对磁体，因此需要两次电子转动才可转动一次电机。

图 4 显示了与图 3 电机相同的线圈布局（此次标记为 U、V 和 W）以及每步的电流（共六步），图 5 显示了后续的霍尔效应传感器输出和线圈电压。
图 4：三相 BLDC 电机一次电子转动的线圈激励顺序。（图片由 Atmel 友情提供。）

图 5：霍尔效应传感器的状态决定了何时及如何激励线圈。每个线圈皆连接一对霍尔效应传感器。（图片由 Atmel 友情提供。）

一对霍尔效应传感器决定了微控制器何时激励线圈。在本例中，传感器 H1 和 H2 决定线圈 U 的开关。当 H2 检测到 N 磁极时，线圈 U 将正向激励；当 H1 检测到 N 磁极时，线圈 U 将断开；当 H2 检测到 S 磁极时，线圈 U 将反向闭合，最后，当 H1 检测到 S 磁极时，线圈 U 再次断开。同样地，传感器 H2 和 H3 决定线圈 V 的激励，而传感器 H1 和 H3 决定线圈 W 的激励。

在每一步中，有两个相位闭合，一个相位将电流馈送给电机，另一个相位形成电流返回路径。还有一个相位处于断开状态。微处理器可控制必须闭合三相逆变器中的哪两个开关，以正向或反向激励两个有源线圈。例如，闭合图 3 中的 Q1 将正向激励线圈 A，闭合 Q2 将反向激励线圈 B 以提供返回路径。线圈 C 保持打开状态。

在设计全尺寸电机之前，设计人员可以使用基于 8 位微控制器的开发套件来测试控制机制。例如，Atmel 为 BLDC 电机控制器生产了一种基于 ATxmega128A1 8 位微控制器的平价入门级套件 ATAVRMC323。4 其他几家供应商也提供类似的套件。

驱动 BLDC 电机

尽管 8 位微控制器结合三相逆变器是一个好的开端，但还不足以构建一个完整的 BLDC 电机控制系统。要构建这一系统，必须使用稳压电源来驱动 IGBT 或 MOSFET（图 3 所示的“IGBT 驱动器”）。幸运的是，几家主流半导体供应商均为此设计了集成驱动器芯片，能够轻松实现构建。

这些器件通常由降压转换器（旨在给微处理器供电以及满足其他系统功率要求）、栅极驱动器控制及故障处理装置以及一些定时和控制逻辑组成。Texas Instruments 的 DRV8301 三相前级驱动器就是一个很好的例子（图 6）。
图 6：Texas Instruments 的 DRV8301 电机驱动器在一个封装中集成了降压稳压器、栅极驱动器和控制逻辑。

该前级驱动器支持高达 2.3 A 的灌入峰值电流和 1.7 A 的拉出峰值电流，并且仅需要一个输入电压为 8 V 到 60 V 的电源。当高压侧或低压侧 IGBT 或 MOSFET 发生切换以防止电流贯通时，该器件将使用自动握手模式。

ON Semiconductor 提供类似芯片 LB11696V。对于这款芯片，可通过在输出电路中加装分立晶体管来实现具有所需输出功率（电压和电流）的电机驱动器电路。此外，该芯片还提供了全套保护电路，因此适用于需要高可靠性的应用。此款器件专为大型 BLDC 电机而设计，例如空调和即热型热水器的电机。

总结

与传统电机相比，BLDC 电机具有多种优势。由于无需在电机中使用电刷，因此不会发生因使用机械零件而导致的效率下降、磨损老化或灾难性故障。此外，高强度稀土磁性材料的开发能够让生产的 BLDC 电机输出与有刷电机相同的功率，但占用的空间更小。

一个明显缺点就是，BLDC 电机与有刷类型不同，需要使用电子系统来监控线圈的激励顺序以及提供其他控制功能。若没有电子系统，电机将无法运行。

然而，随着便宜耐用、专为电机控制而设计的电子器件的普及，电路设计也变得相对简单和便宜。事实上，BLDC 电机可以借助普通的三相正弦波或方波生成器以基本配置运行，甚至无需使用微控制器。例如，Fairchild Semiconductor 就为这种应用开发了 FCM8201 芯片，并发布了相关的应用说明。5

类似地，ON Semiconductor 的 MC33033 BLDC 电机控制器也在芯片上集成了转子位置解码器，因此无需使用微控制器即可构建完整的系统。该器件可用于控制三相或四相 BLDC 电机。

然而，采用 8 位微控制器（通过出厂提供的代码或开发人员自己的软件进行编程）给控制系统增加的成本非常小，但却能为用户提供非常出色的电机控制功能。它不仅能提供更精确的位置、速度或扭矩输出，还能确保电机以最佳能效运行。

参考资料：

• “Brushless DC Motor Primer,” Muhammad Mubeen, July 2008.
  
• “Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals,” Padmaraja Yedamale, Microchip Technology application note AN885, 2003.
  
• “Using the PIC18F2431 for Sensorless BLDC Motor Control,” Padmaraja Yedamale, Microchip Technology application note AN970, 2005.
  
• “AVR1607: Brushless DC Motor (BLDC) Control in Sensor mode using ATxmega128A1 and ATAVRMC323,” Atmel application note, 2010.
  
• “FCM8201 Three-Phase Sine-Wave BLDC Motor Controller,” Fairchild Semiconductor application note AN-8201, 2011.