目錄

• 概述
• BLDC發展
• • 歷史
  • 現狀
  • 未來前景
• 工作原理
• • BLDC結構
  • 六步法
• 啟動方式
• • 轉子預定位
  • 轉子的同步加速
  • 切入轉子正常旋轉程序
• 反電動勢檢測法
• 硬件設計
• • 控制模塊最小系統
  • 三相逆變器電路及其驅動設計
  • 端電壓檢測電路設計
  • 電流采樣電路設計
• 回顧

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概述

無位置傳感器的無刷直流電機驅動設計是我的本科畢業論文課題，主要還是去查閱資料，學習相關知識，然后自己設計驅動，努力復現一下。

BLDC發展

歷史

無刷直流電機是從有刷直流電機的應用基礎上發展而來的，它的英文是Brushless DC Motor。一般的，有刷直流電機的定子上裝有固定的磁極來產生固定磁場，還裝有電刷，用來與轉子的換向器接觸，其轉子上裝有電樞繞組和換向器。

在1917年，Boliger就提出過一種新的電機換向方法，就是改用整流管實現換相，這種方式去掉了電刷，提出了無刷直流電機的概念。但在當時，沒有理想的電子元器件實現換相，因此無刷直流電機的發展僅僅停留在概念階段。1955年，美國的D. Harrison等人第一次申請了使用晶體管換向電路代替有刷直流電機機械電刷的專利，從此標志著現代無刷電機的誕生。在1978年，德國的 的 公司正式推出了MAC無刷直流電機，這標志著無刷直流電機進入大規模商用階段。

無刷直流電機在一定程度上彌補了傳統有刷直流電機的缺點，最顯著的一點就是無刷直流電機用傳感器與電子換向電路取代了有刷直流電機上的電刷和換相器。因此無刷直流電機不僅擁有傳統直流電機的優點，在電機結構、調速范圍、轉差性能、壽命與維護等方面也要優于傳統直流電機。無刷直流電機的誕生與商用掀起了一場設備更新潮，它的各種優點使其在目前工業領域內成為重要的運動部件，小到四旋翼無人機的電機、電動自行車的動力輪，大到醫療設備、航空航天設備等。當然關于它的各種研究和改進也在不斷進行。

現狀

無刷直流電機取消了電刷和換向器，從而失去了機械的磁場換向機構，磁場換向通過傳感器檢測轉子位置，利用轉子的位置信息來控制由開關電子器件構成的換向電路來達到磁場換向的目的。在無刷直流電機發展伊始，工程師們使用模擬電路來檢測轉子位置和控制開關器件。隨著數字信號處理器、永磁材料和電力電子器件技術的飛速發展，無刷直流電機技術向數字化，智能化邁進。

在現階段的無刷直流電機的設計中，一款優秀的驅動器設計是十分重要的。驅動器需要正確檢測到轉子位置信息，而且需要可靠的控制算法來控制功率器件的開通和關斷，從而實現精度高、穩定性強的控制效果。

目前，無刷直流電機的主要控制方法有：PID控制、模糊控制、滑模變結構控制、基于神經網絡的控制、基于鎖相環的控制等。PID控制中P是指比例，I是指積分，D是指微分。通過調整這三個參數，來實現在不同運動狀態下生成不同的控制量，來控制對象來達到理想的運動狀態。但是由于只有三個可調參數使得控制精度不夠，所以導致其在一些需要精密控制的領域不能發揮作用。模糊控制和滑模變結構控制都是非線性的控制方式，模糊控制是運用模糊數學的理論來對一些變量比較多的復雜系統來進行控制，滑模變結構控制是讓控制對象在不同的控制邏輯下來回切換，由于此時處于滑動運動狀態，對未知干擾的敏感降低，使系統有比較好魯棒性。其余的控制方式各有特點，在特定領域能對無刷直流電機有良好的控制。

在位置檢測領域，一般就有位置傳感器檢測法和無位置傳感器檢測法。位置傳感器有電磁式的，可以安裝在定子組件上，來檢測轉子永磁體轉動，通過磁場的變化記錄轉子位置信息，也有光電式的，將光源和接收器安裝在定子組件上，轉子上安裝遮光板，當轉子轉動時，接收器產生的脈沖信號則是轉子位置信息。無位置傳感器檢測法有一種H. Lehuy等人提出的反電動勢檢測法，這種方法不需要在電機內安裝位置傳感器，簡化了系統的結構。還有一些學者提出過續流二極管法和基于定子磁鏈估計法等無位置傳感器檢測法。

未來前景

首先，無位置傳感器的無刷直流電機相比較于普通的有傳感器（光電式、電磁式、霍爾式）的無刷直流電機，有以下的優勢：
① 沒有傳感器占用空間，可以把電機做得更小，也因為沒有傳感器，結構簡單，便于維護；
② 位置傳感器增加了電機系統得慣量，進而影響了整個系統的響應性能；
③ 位置傳感器中的信號傳輸一般來說頻率較高，容易受到外界干擾，不適宜在強電磁干擾環境下工作。
所以無位置傳感器的無刷直流電機更適合做成小型的，可以在強干擾環境下完成工作的特種電機。但是由于實現無位置傳感器需要使用到反電勢檢測法，但其在中、低速情況下性能不佳，所以這種電機最好制作成高速電機。
其次，無位置傳感器的無刷直流電機（BLDC）相比于無位置傳感器的永磁同步電機（PMSM）也有不少區別。

PMSM是使用正弦波調制，控制算法比較精細，適合中低速，大轉矩的精確控制，但由于高速之后的載波比降低會帶來的電流采樣以及離散化等等的一些問題，所以需要硬件成本較高。由于BLDC是方波調制，調制方式和之后的控制算法均比較簡單，雖然在中低速以及精確控制方面比不上PMSM，但比較適合高速旋轉、小功率小型化、低成本的電機需求情況。
綜上所述，無位置傳感器的無刷直流電機在未來會向高轉速、功率小的小型特種電機方向去發展。當然，通過算法的不斷改進和優化，未來的BLDC也會有比較好的中低轉速性能和比較好的精確性。

工作原理

BLDC結構

一般來說，有刷直流電機的轉子是電樞，磁極則貼在定子上，提供恒定的磁場。無刷直流電機則與其不同，即轉子上貼有磁極，定子上安放電樞。根據不同的結構，無刷直流電機一般分為內轉子無刷電機和外轉子無刷電機。本文使用的是一款外轉子無刷電機。

逆變器功率模塊可以采用全橋式也可以采用半橋式。雖然半橋式結構比較簡單，但是會產生比較大的波動，擾亂原本的控制邏輯，故本文采用全橋式逆變電路。對于三相全橋逆變電路來說，一般有二二導通的控制方式和三三導通的控制方式。在本文中采用的是二二導通的控制方式。

無刷直流電機的工作原理從本質來說還是依靠電樞磁場與永磁體產生的固定磁場之間互相作用產生的電磁力，來生成電磁轉矩，來驅動無刷直流電機轉子轉動。其中，電機的定子繞組為三相星形，本文驅動的是一款4對極的外轉子的無刷直流電機，外轉子上共有8塊永磁體貼片。

六步法

六步法中的三相電機每次只有兩組繞組有電流通過，產生磁場。為了讓電機旋轉，一般按照Q1Q2—Q2Q3—Q3Q4—Q4Q5—Q5Q6—Q6Q1的順序依次導通功率開關管。

如圖2-4，此為無刷直流電機在狀態①時轉子旋轉始末位置的示意圖。當Q1和Q2導通時，電流從Q1流入A相，又由于X、Y、Z為星型連接的中性點O，B相所屬的上下管Q3和Q6均為關閉狀態，所以電流只能由X流入Z進入C相，再由C流出，經Q2入地。此時由A相和C相合成的總磁場相當于一塊N極在Y處，S極在B處的磁鐵，在圖中央的永磁轉子會受到其的斥力，從圖（a）處順時針旋轉60度到達圖（b）所示的位置，在這時，開關管就需要進入下一個狀態，Q2Q3導通。

由Q1Q2導通變到Q2Q3導通，其實就是讓電流從B處流入B相，再由Y處流入C相，而不再是讓A相通電。這時，相較于狀態①，在狀態②時線圈產生的磁場順時針旋轉了60°，這樣就會產生如狀態①初始位置時一樣大的電磁轉矩，促使永磁轉子繼續旋轉。如圖2-5，轉子就會從圖（a）處順時針旋轉60°到圖（b）處，與狀態①的結束時刻一樣，這時需要改變開關管的通斷，由Q2Q3導通變為Q3Q4導通。

之后的轉子就按照這樣的邏輯一步一步地每次60°地旋轉，直到回到狀態①，就繼續循環，這樣電機就會一直旋轉下去。如圖2-6，其所示的是每個狀態結束時的轉子位置，其中圖（d）是狀態⑥的結束位置，它與圖2-4（a）所示位置相同，即開關管狀態可進入下一輪循環。如果想讓永磁轉子反轉，則只需要把狀態反序，即將開關管按狀態①_⑥⑤……②~①的順序通斷。

啟動方式

因為隨著電機轉速越高，其反電動勢的幅值則會越高。但是當電機在啟動和低速狀態時，其反電動勢比較小，導致檢測裝置檢測不到信號，或者是準確度差、不穩定。所以在電機的啟動和低速階段，一般不使用反電動勢法來檢測轉子位置。可以使用以下的三步啟動法，來使無刷直流電機啟動。

轉子預定位

由于慣性旋轉、人為干擾等原因，電機在上次停轉后所處的位置是未知的，盲目地將隨機位置地轉子從一個固定的狀態直接旋轉，會導致電機旋轉異常。轉子預定位，就是將電機在旋轉前，將轉子預先固定在一個初始位置，以便于之后的加速。轉子預定位可以采用兩相長時間導通，旨在吸引轉子固定在一個確定位置，如圖3-1（a），黑色箭頭代表電磁轉矩。但是這種方法過于理想，會出現如圖3-1（b）中的情況，此時轉子的磁勢和繞組產生的磁勢是180°相反的關系，這時電磁轉矩極小甚至沒有。所以一般使用雙狀態預定位，就是首先讓電流流入A相，從C相流出，緊接著切換成一個臨近的狀態，比如讓電流流入B相，從C相流出，這時，不管在什么位置的轉子都會至少轉動過一次。最后再讓電流從A相流入，C相流出。這樣就可以避免轉子磁勢與定子磁勢相反，電磁轉矩幾乎為0這種特殊情況，從而避免定位失誤。

在實際操作中，會出現電壓的PWM占空比過小，負載轉矩過大，機械摩擦力過大導致轉子不旋轉，從而定位失敗；或者，出現電壓的占空比過大，導致電機發熱，或者轉子在指定位置后不停左右抖動。所以，在實際操作中，要根據電機的特性，不斷實驗，調整好最佳的轉子預定位電壓占空比，如果負載過重，需要按需調節占空比。如果導致定位失敗甚至堵轉，則需要關閉所有開關管，停止驅動電機并且發出聲、光報警信號。

轉子的同步加速

轉子定位后需要進行無反饋的同步加速。加速的方法就是以一定的時間間隔按順序切換開關管的六步狀態，這種工作狀態類似于鼠籠異步電機，前者的頻率是程序設定，后者頻率是50Hz工頻，前者的電流是呈方波形狀，后者是正弦波形狀。區別在于前者必須做到無反饋地與設定頻率同步，后者則允許有轉差率。
為了做到同步加速，有恒頻率升壓的方式和升頻率升壓的方式。恒頻率升壓是指切換開關管狀態的頻率恒定不變，通過提高PWM占空比，來讓轉子轉動至開關管的頻率，中間如果負載較大，則容易產生失步現象。升頻率升壓的方式是指開關管頻率和PWM占空比匹配提高，其對程序要求較高，但是效果好，可以避免失步情況。相比于恒頻率升壓的方式，升頻率升壓有更好的適應負載的能力，啟動更加平順。其實兩種方式都需要不停試驗，調出各個特征參數，來滿足實際使用情況。

切入轉子正常旋轉程序

隨著轉子的轉速不斷提高，其反電動勢的幅值也在不斷地增加。當反電動勢檢測程序可以正常且穩定地讀出反電動勢值，并成功判斷其過零點數次后，則可以使用反電動勢過零點檢測法對轉子位置進行檢測，隨后切入使用轉子位置進行開關管狀態切換的程序。在切換程序過程中，如果轉速不同，或者上一個環節的結束點和這個階段的啟動點相差太大的話，都會導致抖動。如果是對于特殊工作情況，可以通過設定一個切換轉速，來約定切換時機，并且調節參數和程序，使得切換時的啟動點就是結束時的工作點。

反電動勢檢測法

當轉子上的永磁體旋轉時，會切割繞組產生反電動勢，而且轉速越大，其產生的反電動勢也越大，這個反電動勢是可以使用檢測電路檢測的。檢測三相繞組中反電動勢，根據其變化，就可以得知轉子是否到達六個關鍵換向節點，并決定是否進行換相操作。

總結無刷直流電機運行原理的規律，不難發現每個開關會連續開兩個狀態的時間后關閉，比如在狀態①切換到狀態②時，Q2是一直開通的狀態，只有Q1被關閉，Q3被打開。由于開關管控制每一相中電流的流向，所以可以知道，每一相都在連續兩個狀態時間中的電流流向不發生變化，而在那兩個狀態時間過后的一個狀態時間，是用于電流變向。之后的三個狀態時間內再完成一次電流變向，以六個狀態時間為周期，周而復始地進行下去。其實，反電動勢也是按照這個規律進行變化的。每一相的反電動勢在定子電流持續流過的兩個狀態時間內，是恒定不變的非零值，當定子電流需要進行換向的那個狀態中，由于該相的浮地段是不導通的，其端電壓或相電壓就會發生變化，這也反映出該相繞組的感應電動勢，如圖3-2，它的大小會由正值轉變為負值或者由負值轉變為正值。這時就需要檢測其過零點的時刻，，但過零點的時刻并不是換相的時間點，因為這是轉子的磁勢是出于不導通的那一組繞組的軸線上。在應用中，需要按照實際情況延遲30°+60°k（k=0，1，2…）才能到達應該換相的位置，這時通過控制器發出控制信號，這樣就可以使功率開關管導通或者關斷，使無刷直流電機不停地旋轉下去。

從圖3-2中可以看出，無刷直流電機產生的反電動勢是呈梯形波形狀的，而其定子電流是斷續的方波形狀。因為在電機轉動過程中，定子中總有兩相繞組會通過電流，使那兩相繞組中也會生成大小相等、方向相反的反電動勢。等其中一相繞組斷開時，其電流立即降為零，但是反電動勢會通過開關管和二極管進行續流，會由正變負或者由負變正，與下一段電流反向時的反電動勢接續。在一個周期中，每相的反電動勢有兩次過零點，三相則可以接收到6次過零點信號，滯后30°+60°k（k=0，1，2…）后即為開關管換相的信號。

硬件設計

在之前，本文已經對無刷直流電機的結構、運行原理、數學模型以及轉子位置檢測方法進行了分析。這一章將會在之前的理論基礎上來設計一款無刷直流電機的驅動系統，如圖4-1，其主要包括了控制處理模塊、三相逆變器模塊和轉子位置檢測模塊，當然還有電源以及電機本體。

此設計為一體化設計，圖中虛線框中的部分是被安排在一塊電路板上的，即驅動器一體化。這樣做符合BLDC設計小型化、緊湊化的初衷，整個驅動器只有長和寬10cm和高8cm的大小，而且還有設計得更小的潛能，如圖4-2，此為PCB的3D預覽圖。

控制模塊最小系統

由于近年來，ST公司的芯片價格普遍較高，經過在性能和價格方面的比較，最終選擇STM32F401RCT6作為主控微處理器。這是一款基于高性能ARM Cortex-M4的32位RISC（精簡指令集）內核，其主頻為84MHz，擁有64kB的RAM和256kB的片載Flash，擁有50個可編程I/O口。在控制方面，有5個16位和2個32位的通用計時器，和1個自帶死區控制的電機控制16位計時器。其他方面，有1個16通道的12位ADC，以及若干I2C、USART、SPI通訊控制器。基于該款單片機設計的最小系統和輸入輸出設備的原理圖如圖4-4和圖4-5所示。

最小系統原理圖除了芯片各引腳連接去向，還包括以下幾個部分：晶振電路中選用8MHz的晶振和22pf的電容，給芯片提供穩定的外部時鐘源；復位電路利用一顆按鍵接地來控制程序復位；ST-Link電路實現了程序的燒錄；BOOT電路是選擇芯片的啟動路徑，在這里本文默認接地為片內Flash啟動。

三相逆變器電路及其驅動設計

三相全橋逆變器模塊主要有兩個部分組成，一個驅動器電路，一個是橋式電路。如圖4-6所示的是A相的驅動器電路。

EG3112是一款高性價比的MOS、IGBT驅動芯片。專用的MOS驅動電路可以避免使用芯片的控制信號直接控制開關管的導通和關斷，增大控制信號的帶載能力，也起到隔離作用，防止反灌電流對主控芯片造成損害。其輸出的HO1和LO1信號最終輸入MOS管的G極，HO1控制上管，LO1控制下管。

如圖4-7所示的是一個三相全橋逆變電路。它由六個MOS管組成，其中兩兩一組組成三個橋臂，上下橋臂能單獨導通和關斷。MOS管采用的是IRLR8726，這是一款N溝道增強型MOS管，最高耐壓30V，在G極電壓為10V時，最大可通過電流為86A。該MOS管符合驅動系統設計要求，是一款非常適合用來驅動無刷直流電機的MOS管。橋臂下方與接地點之間串聯了一個電阻，其電阻不僅可以防止上下橋臂因失誤而同時打開時，電源正極與負極同時相連，也可以用來通過分壓測得反電動勢。

端電壓檢測電路設計

轉子位置檢測模塊使用的是端電壓法來檢測轉子位置。如圖4-8所示，U、V、W三相的最大的工作電壓大約為12V，所以需要用一個10k電阻和一個2k電阻進行分壓，取工作電壓的六分之一，在經過一個10uf的電容進行濾波后，將信息傳輸給單片機。

電流采樣電路設計

為了防止電機電流長時間過大而導致損壞，并且配合位置檢測為主的轉速閉環系統，做到轉速、電流雙閉環控制，主板上設計了電流采樣電路，用于采樣每相的電流數據。

如圖4-9所示，以A相為例，電流信號 經過R21和R22兩個10k電阻接入運算放大器的同相輸入端，另有一路經10k電阻接地。

回顧

現在整理時回想做畢設的時光仍在眼前，這也是呆在本科學校的最后一段時間。我們無比懷念過去，但又不得不向前看，前路坎坷許多，少年仍需披荊斬棘，與大家共勉。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的【2022项目复盘】无位置传感器的无刷直流电机驱动设计的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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