如何控制无刷直流电机的转向（如何控制无刷直流电机的转速）

无刷直流（BLDC）电机已广泛应用于家用电器、工业设备、汽车等领域。尽管无刷直流电机提供了比传统有刷电机更可靠且免维护的替代方案，但它们需要更复杂的电子设备来驱动。本文将探讨用于驱动无刷直流电机的多种不同技术、传感器方案以及所使用的流行算法。此外，还将推出一些来自领先供应商的电机驱动器IC 以及合适的开发和原型设计资源。

无刷电机应用

在过去的十年中，无刷直流电机变得非常流行。它们的应用可能比Wi-Fi 更常见。无论是在家里、在办公室，还是在汽车等周边场景，您可能会惊讶地发现这些无刷直流电机。直流。 Allied Market Research估计，全球无刷直流电机市场将从2020年的332亿美元增长到2030年的722亿美元（见图1），其《2030年无刷直流电机市场研究》报告预测，所有评级的复合年增长率动力电机增速为10.3%，其中750-3000W类别的无刷直流电机年复合增长率最为显着。

图1：联合市场研究公司（AMR）发布的2020年至2030年无刷直流电机市场增长趋势。 （来源：AMR，https://www.alliedmarketresearch.com/brushless-dc-motors-market，已请求许可）

无刷直流电机用于许多不同的应用，包括电池供电的电动工具、家用吸尘器、无线控制无人机和电动汽车，以及从输送机到生产机器人的数百种工业应用。

无刷直流电机因其低维护特性而广受欢迎。它们的能效也非常高，通常高达92%，比类似尺寸的有刷电机至少高10% 到15%。此外，由于没有任何电刷摩擦，BLDC 能够以更高的速度运行。去除电刷还有助于实现更紧凑的尺寸、更低的可闻噪声并显着降低EMI。这些特性使它们成为电动汽车的理想动力总成组件，其中高扭矩和高速性能至关重要。

然而，BLDC 的优点需要同时考虑其较高的成本和复杂的驱动要求。图2 比较了不同流行类型的电机配置，显示了它们的优点和缺点。无刷直流电机与永磁同步电机(PMSM) 类似，但其运行和定子绕组内部结构略有不同。

图2：产品类型说明了流行直流电机的主要优点和缺点。 （来源：Qorvo）

无刷直流电机如何工作？

在探讨BLDC 和PMSM 的工作原理之前，我们先简要介绍一下一些基本的电机术语：

绕组：绕组是放置在定子或转子上的铜线线圈。它们充当电磁体并根据电流方向产生磁场。图2中的无刷直流电机的三个绕组可以串联构成单相电机，也可以单独连接构成三相无刷直流电机。

转子：转子是指电机的旋转部分。转子周围的绕组通过有刷电机电刷接收能量。在无刷电机中，绕组位于定子上，永磁体围绕转子。转子和定子之间有微小的气隙。

定子：定子是机壳电机的非旋转部分。有刷电机的定子磁极如图2 所示。与BLDC 相比，BLDC 的定子包含非旋转绕组。

换向：通过改变绕组中电流的方向来实现旋转。

反电动势：反电动势是绕组通过磁场时产生的电能。对于无刷直流电机，反电动势来自转子的永磁体，可用于感测转子相对于定子绕组的位置，从而驱动换向过程。

永磁同步电机与无刷直流电机的区别主要在于其定子绕组的形状，以及由此产生的反电动势波形特性（见图3）。

图3：BDLC 和PMSM 电机产生的反电动势波形比较。 （来源：Qorvo）

电机驱动算法和传感器

实现无刷直流电机或永磁同步电机的旋转需要对施加到定子绕组的驱动信号进行换向。基于半导体器件的电机驱动控制器（通常称为驱动器）生成波形，其数量和形状取决于电机类型和相数。如图3所示，与永磁同步电机采用磁场定向控制（FOC）的正弦方法相比，无刷直流电机更适合梯形驱动波形。在三相PMSM 中，换向利用三个彼此相差120 度的正弦波波形。 BLDC 电机也可以使用正弦波形驱动。

无论使用FOC 还是梯形驱动器，有效的转子控制都需要精确了解转子相对于定子绕组的位置。这为电机驱动器提供了重要的反馈，以更好地控制电机速度和扭矩。位置信息决定驱动信号的顺序、时序和频率。

有两种确定转子位置的方法：有传感器或无传感器。

传感器：霍尔效应传感器可以布置在每个定子绕组旁边（见图2中的蓝色小方块），它可以检测转子旋转时磁场极性（N到S，S到N）的变化。每个三相电机需要三个传感器。

无传感器：无传感器方法使用反电动势来确定转子位置，而不是使用传感器。

两种传感方法各有优缺点。使用霍尔效应传感器需要额外的组件成本和更多的组装时间，但传感器感应的BLDC/PMSM 电机可提供出色的扭矩、平稳的旋转和更高的效率。永磁同步电机的驱动控制器往往比较复杂，使用FOC需要使用传感器。

无传感器方法在无刷直流电机中很常见，并使电机的价格极具吸引力，但需要算法根据定子绕组中感应的反电动势确定转子位置。无传感器BLDC 电机在启动时面临着巨大的挑战。由于没有运动，因此没有反电动势，因此必须使用另一种方法来计算转子位置。通常，高频驱动信号被馈送到每个相绕组，并且通过特定算法相应地计算位置。

图4：三相BLDC 电机的简化图，其中霍尔效应传感器用于创建换向过程并排序逆变器操作。 （来源：Qorvo）

图4 突出显示了使用霍尔效应传感器（HSW、HSV 和HSU）的简单三相BLDC 电机配置。传感器基本上是数字开关，指示检测到的磁场的极性，N 等于“1”，S 等于“0”。三个传感器的输出组合起来给出一个3 位数字逻辑“操作码”，指示转子变化时的位置和方向。该信息用于向三相功率晶体管逆变器级提供驱动信号。根据。对于功耗相对较低的BLDC 应用，传感器接口、电机控制器和驱动晶体管通常集成到单个控制器IC 中。大功率电机通常使用控制器IC的栅极驱动输出，并使用配备散热器的功率MOSFET来实现所需的驱动电流。

为了改变电机的速度，可以通过脉宽调制（PWM）技术改变占空比，即脉冲开/关的比率。这种方法限制了启动电流，因此在电机启动过程中具有很大的优势。

BLDC 电机驱动器IC 和开发资源

图5 显示了低功耗无传感器三相BLDC 电机驱动器TI DRV10963 的功能框图。该IC 包含三个功率MOSFET，适用于高达5V/0.5A 的BLDC 电机。它可用于驱动笔记本电脑和高性能处理器。使用冷却风扇。 DRV10963 具有短路和过流保护功能，通过多路复用模数转换器(ADC) 监控每个MOSFET 的电流和电压。 PWM 输入可用于控制并实现所需的电机速度。 “FR”输入允许在启动时更改电机方向，“FG”输出提供电机速度信息。

图5：TI DRV10963 5V 三相无传感器BLDC 电机驱动器的功能框图。 （来源：TI）

Microchip 提供全系列单芯片BLDC 电机驱动器和栅极驱动器IC，例如MCP8063，这是一款专为汽车冷却风扇和各种泵应用而设计的三相无刷正弦无传感器电机驱动器。

Qorvo PAC5532 电源控制器适用于高速消费、工业和汽车产品中的各种电机控制应用，包括电池供电的电动工具、电动自行车和轻度混合动力汽车。 PAC5532适用于48~120VDC系统，集成150MHz Arm Cortex-M4F 32位内核，并具有全面且可配置的电源管理和驱动功能（见图6）。

图6：电池供电电机控制应用中Qorvo PAC5532 的简化配置框图。 （来源：Qorvo）

Qorvo PAC5532EVK1 评估套件为PAC5532 提供补充支持。

图7（来源：Qorvo）列出了评估套件的主要组件，包括PAC5532 和三相半H 桥逆变器组件。基于GUI 的软件开发套件可从Qorvo 网站下载。

另一款电机控制IC 是高性能Renesas RA6T2 微控制器系列。该IC 基于240MHz Arm Cortex-M33 微控制器内核，并包含一个基于硬件的加速器，用于加速复杂的电机控制算法和运行安全加密功能。它还集成了一套非常全面的模拟功能，包括12 位模数转换器(ADC)、12 位模数转换器(DAC)、可编程增益放大器和高速比较器(参见图8）。

图8：基于瑞萨RA6T2 微控制器的电机控制器功能框图。 （来源：瑞萨电子）

瑞萨电子MCK-RA6T2 评估套件为无刷电机驱动器设计提供了一种方便实用的原型设计方法。该套件包括三个连接板：逆变器板、微控制器板和通信板，以及小型无刷直流电机和所有必要的电缆。 MCK-RA6T2的功能架构如图9所示。

图9：Renesas MCK-RA6T2 无刷电机评估套件的功能框图。 （来源：瑞萨电子）

BLDC 电机控制设计入门

在本文中，我们将探讨无刷电机的工作原理，讨论其在市场上受欢迎的主要原因，并重点介绍一些应用案例。上面介绍的领先半导体解决方案为您提供了易于使用、记录齐全且值得信赖的技术方法，帮助您开始您的第一个BLDC/PMSM 设计。

责任编辑：彭静