BLDC 電機比傳統(tǒng)有刷直流電機更小、更輕、更安靜，同時提高了消費、工業(yè)、汽車和醫(yī)療應用的可靠性和能效。它們的無刷結構消除了機械磨損、導電灰塵、可聞噪音和電弧等問題，從而簡化了設備設計和維護。

從基本梯形控制到更平滑的正弦控制和磁場定向控制 (FOC) 的控制策略讓工程師可以選擇各種選項來平衡復雜性和成本與性能和可控性。

六步或梯形控制

使用簡單的“開關”勵磁順序為三個定子繞組通電，作用于轉子中永磁體的靜磁場，使其旋轉。該周期包括施加到每個繞組的六個脈沖以執(zhí)行一轉。波形相對容易生成并產生梯形反電動勢，如圖 1左側所示。然而，轉子上的力并非純粹沿切向方向，這對于確保連續(xù)的最大扭矩是理想的。電機旋轉時存在周期性徑向分量，這會降低效率并導致磨損、發(fā)熱和所謂的“扭矩脈動”。

圖 1. BLDC 的六步正弦控制。

正弦和磁場定向控制

應用正弦勵磁理論上可以產生一個始終垂直于轉子磁體磁場的平滑旋轉磁場，從而產生一致的扭矩，如圖 1 右側所示。在實踐中，繞組電感和反電動勢等影響會導致相位由此產生的電流和場的變化會阻止簡單的正弦控制提供平滑和準確的控制。

磁場定向控制 (FOC) 動態(tài)校正定子磁場幅度和方向，以實現(xiàn)應用要求的扭矩和速度。該算法根據(jù)瞬時測量的轉子位置計算最佳繞組電流。

磁場定向控制可最大化扭矩

原則上，F(xiàn)OC 控制交流勵磁電流，以保持所得磁場的角度始終垂直于轉子磁體的磁場。這樣可以產生最高的扭矩，消除扭矩脈動，最大限度地提高效率，并通過消除軸承上的徑向載荷來最大限度地減少機械磨損。

定子繞組電流以及由此產生的場強和方向可以表示為在公共靜態(tài)坐標系中相距 120 度的三個旋轉矢量。為了最大限度地減少扭矩脈動并最大限度地提高效率，這些電流I U、IV和I W必須保持平衡，使其凈和為零。 FOC 旨在通過應用“克拉克”變換來實現(xiàn)這種平衡。這將電流簡化為兩個振幅為Iα和Iβ的旋轉矢量，在靜態(tài)坐標系中相距 90 度：

將這些矢量轉換為旋轉參考平面中的靜態(tài)分量I D(直接)和I Q(正交)，可以將它們與轉子旋轉時的位置相關聯(lián)。這是使用“Park”變換完成的：

θ是圍繞靜態(tài)Iα和Iβ坐標系的轉子角度

在穩(wěn)態(tài)條件下，ID和I Q是恒定值，可以解釋為定子繞組電流的分量，分別代表切向和不需要的徑向扭矩。 FOC 使用這些值作為反饋環(huán)路的輸入，通常使用比例積分 (PI) 控制器來最大化 I Q并將 I D最小化為零。由此產生的誤差放大器輸出V D和V Q通過逆 Park 和逆 Clarke 變換以及隨后的脈寬調制來驅動功率級，產生三個正弦定子繞組電流。 PI 控制器中的可編程增益值 Kp 和 Ki 必須分別針對瞬態(tài)響應和穩(wěn)態(tài)精度進行單獨優(yōu)化，并且在很大程度上取決于實際電機參數(shù)，特別是繞組電阻和電感。然而，先進的 FOC 控制器具有自動調節(jié)功能，可以“學習”所連接電機的特性。使用 FOC 的 BLDC 電機控制器的概要如圖 2 所示。

圖 2. 用于驅動 BLDC 電機的 FOC 方案。

特別受益于 FOC 的應用是那些需要最小化噪聲或振動或需要低諧波接觸的應用。此外，F(xiàn)OC 還可以在需要時使應用程序以高于標稱速度的速度運行。這是通過使用“弱磁”來實現(xiàn)的，其中通過控制電流I D使其低于負值來有意降低反電動勢。這減少了有效轉子磁場并允許更高的速度，盡管扭矩降低了。

感測轉子位置和繞組電流

FOC 中必須知道轉子角位置才能解析 Id 和 Iq 分量。還需要測量定子繞組電流。

有多種方法可用于檢測轉子位置。無傳感器監(jiān)控根據(jù)繞組電流、反電動勢和電機特性模型推斷位置。然而，在高負載下啟動可能很困難，并且可能需要使用梯形驅動器啟動電機。在這種情況下，一個繞組在任何時刻都處于斷電狀態(tài)，并且存在的反電動勢的零交叉提供了位置的準確指示。當電機運行時，應用程序可以更改為正弦 FOC。

或者，使用霍爾傳感器檢測轉子位置可以在高負載條件下啟動并進行精確的扭矩控制。更昂貴的選擇是使用磁性旋轉變壓器或具有正交輸出的編碼器，它提供高精度的位置測量并可以感測旋轉方向。

此外，測量繞組電流的方法也有多種。最準確的方法是使用三個傳感電阻器同時采樣三個繞組電流，每個電阻器都連接到 ADC。通常的方法是測量逆變器橋臂電流(圖 3，左)。

單個分流電阻器可用于成本敏感的應用，有效測量直流母線電流(圖 3，右)。只需要一個ADC，并使用單分流電流重構方法計算相電流。電流采樣的時機對于捕獲準確的平均值至關重要。如果有效矢量持續(xù)時間小于最小測量周期，則精度可能會因振鈴等效應而受到影響。非對稱電流采樣可以克服這個問題，但需要更復雜的計算。

圖 3. 使用三分流器(左)和單分流器(右)方法監(jiān)測 BLDC 電機電流。

實施 BLDC FOC

完整的電機控制應用需要電源管理、模擬傳感、PWM 生成、柵極驅動功能以及負責執(zhí)行 FOC 算法的處理核心。針對電機控制進行優(yōu)化的片上系統(tǒng)設備(例如 Qorvo 的基于 Arm? Cortex? 的 PAC5xxx 系列)將此電路集成在單個封裝中。該系列的一種變體甚至集成了功率 MOSFET，可直接驅動低功耗 BLDC 電機，適用于手持設備和工具等應用。這些電源應用控制器? IC 支持本文討論的方法，包括無傳感器轉子位置測量或使用霍爾傳感器或正交編碼器進行檢測以及單分流或三分流電流感應。它們還允許混合梯形/FOC 模式，以確保啟動和弱磁以在高于額定速度的情況下運行。

結論

了解梯形、正弦和磁場定向控制之間的差異以及基本工作原理可以幫助工程師在開發(fā) BLDC 電機應用時選擇正確的控制策略。磁場定向控制可以提供精確的速度控制，具有快速動態(tài)響應和最小的扭矩紋波，現(xiàn)在可以使用單芯片控制 IC 來實現(xiàn)。