无刷直流电机的方波算法如何实现？

BLDC无刷直流电机的原理是什么？
无刷直流电机的方波算法如何实现？

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甘晓茵

2021-9-23 10:53:30

　　　　无刷直流电机（BLDC，也称为马达驱动）是电机和控制技术相结合的产品，电调控制电机的运行，从电流驱动角度来看，无刷直流电机可分为正弦波驱动和方波驱动。通常，以方波驱动的电机称为无刷直流电机（BLDC），正弦波驱动的电机则为永磁同步电机（PMSM）。无刷直流电机，跟永磁同步电机，基本结构相似，主要区别在于控制器电流的驱动方式不同。产生相位差120度的正弦三相电，要不断的调整三路、或是六路PWM的占空比，这要求较高的处理速度。给电机供相位差120度的方波，电机运转噪音虽大一些，但电机仍可以基本平稳的运转，方波驱动方式对处理器的速度要求低了很多。所以方波驱动方式就广泛应用开来。

一、方波控制理论基础

  方波控制也叫六步控制，在一个电周期中，电机只有六种转态，或者说定子电流有六种状态（三相桥臂有六种开关状态）。

  每一种电流状态都可看作合成一个方向的矢量力矩，六个矢量有规律地、一步接一步地转换，矢量旋转方向决定了电机旋转方向（顺时针或是逆时针），电机转子会跟着同步旋转。

  在方波控制里，主要是对两个量进行控制，一个是电机转子位置对应的开管状态，有Hall时，通过Hall信息获取转子位置，无传感器时，通过反电动势信息获取转子位置，从而决定开管状态；第二个是PWM占空比的控制，通过控制占空比的大小来控制电流大小，从而控制转矩和转速。
  二、方波算法实现步骤

  （1）Hall 方波控制：

  1.读取母线电流采样的AD 值，计算母线电流

  2.电流环计算应该给的PWM 占空比，控制电流为给定电流大小

  3. 读取hall 状态，根据Hall 状态与三相桥臂开管状态关系数组，得到相应的开管状态，每次hall 状态的跳变沿及为三相桥臂状态切换的时间点（也称为换相点）。

  4. Hall 相邻状态间的扇区为一个电周期的六分之一，即为60°，用定时器可记录60°扇区所用的时间，从而计算电流频率，从而得到电机转速。

  5. 以电流环作为内环，速度环作为外环，电机进行闭环控制，如Hall 方波控制框图。对于Hall 方波控制来说，电机启动时，就已经知道电机转子位置，直接用hall 状态对的矢量力矩去拉电机，就可启动电机，并可直接进闭环控制。

  （2）BEMF 方波控制：

  1.读取母线电流采样的AD 值，计算母线电流。

  2.电流环计算应该给的PWM 占空比，控制电流为给定电流大小

  3. 保持一种开管状态（即保持一个方向矢量定位），定位完成，然后按一定频率改变开管状态，并按规律提升改变频率。到达切换电频率，然后切换到反电动势模式。

  4. 用一个较高频率定时器中断读取相比较器输出状态，若相比较器输出电平发生翻转，则说明该相反电动势产生过零，此时，读定时器D 时基计数值，保存，然后清定时器D，并配置定时器D 的比较寄存器0 的比较值，开定时器D 开始计时，直到产生PWMD0 中断，在中断中改变开关管状态，也就是找到过零点延迟30°电角度再换相。

  5. 以电流环作为内环，速度环作为外环，电机进行闭环控制，对于BEMF 方波控制来说，电机启动时，是不知道电机转子位置，所以需要用外同步方式启动电机，让定子电流按给定大小和频率拖动电机转子跑，然后电机达到切换电频率，就可切换到反电动势模式跑电机，并运行速度和电流闭环控制。

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