BLDC 驅動架構介紹

       BLDC無刷電機，顧名思義就是沒有電刷的電機，因為沒有電刷，無刷電機在運行過程中噪音小，也不存在電刷損壞的情況。 BLDC 由於其高效率、長壽命、低噪音、易於維護等特點，正在逐漸替代有刷電機，今天就給大家介紹一下  BLDC 及 BLDC 的驅動架構。

一. BLDC 介紹

       BLDC 無刷電機結構如圖 1 所示，BLDC 由定子和轉子組成。


       BLDC 的定子由線圈組成，由高中知識我們知道通電線圈附近可以產生磁場，磁場方向由電流方向決定，如圖 2 所示，因此我們只需要改變線圈電流方向，就可以改變線圈產生的磁場方向。

       BLDC 的轉子由永磁體組成，利用同性相斥，異性相吸的原理，通過給定子通電產生相應方向的磁場，就可以讓轉子轉動起來，具體過程如圖 3 所示。

       實際應用中為了控制方便，通常會將 ABC 三個繞組連接在一起，形成一個星型連接，如圖4 所示，這樣子只需引出三根線就可以對電機進行控制。

       如圖 5 所示，A 接電源正極，C 接電源負極，這樣就可以實現 AC 兩相上電流方向相反，產生的磁極也相反，吸引轉子逆時針旋轉。

       當轉子 S 極靠近 A，電路進行換相，B 接電源正極，C 接電源負極，吸引轉子繼續旋轉。以此類推，只需要按照 AC-BC-BA-CA-CB-AB 的順序依次通電，就可實現轉子旋轉 360°，循環通電，就可以實現轉子持續旋轉。

 

二． 轉子位置檢測

       在 BLDC 的轉動過程中，我們需要知道轉子轉到哪裡了，才能決定給 A/B/C哪兩相通電。檢測轉子位置一般有兩種辦法：

       1. 霍爾傳感器檢測法：如圖 7，一般在定子上放上三個霍爾傳感器，通過霍爾傳感器檢測轉子位置：當 N 極靠近霍爾傳感器時輸出 1，S 極靠近霍爾傳感器時輸出 0。

       三個霍爾值組成 6 種組合，不同的霍爾值代表不同的扇區，每個扇區 60°，轉子每轉過 60° 就需要進行換相，如圖 8 所示。控制器通過霍爾傳感器的值判斷轉子在哪個扇區，根據表格給相應定子通電。圖中轉子處於扇區 4，霍爾值為 100，根據表格此時需將 B相連接電源正極，C相連接電源負極（順時針旋轉的情況下）。

       2. 反電動勢檢測法（無感）：當線圈周圍的磁場（磁通量）改變時，線圈上會產生反電動勢，定子上反電動勢變化如圖 9 所示，Z 是反電動勢過零點，C 是換相點，由圖可知 C點滯後 Z 點 30°，Z 點與 C 點之間有一個面積為 S 的三角形，每個電機的 S值是固定的。當控制器檢測到反電勢過零點，開始對反電動勢進行積分，當積分值等於 S 時，說明到達換相點，在一個電周期 360° 中一共有 6 次換相點。

       無論採用霍爾傳感器檢測法還是反電動勢檢測法，一個電周期中都需要經過六次換相，也成為六步換相。在六步換相方式下，電機的相電壓接近方波，如圖 10 所示，所以稱為方波控制。

三．具體控制過程

       本文將對 BLDC 無感方波驅動架構進行介紹，框圖 11 所示。


       1. MCU 通過 PWM 控制 MOS 管的通斷，從而控制電路中電流大小和方向。如圖 12 所示，假設 S1，S6 導通，此時電路中的電流流向為：電源正極 → S1 → A → C → S6 → 電源負極，這個時候 AC 通電，B 相浮空。如圖 13 所示，假設 S5，S2 導通，此時電路電流方向相反。同時 MCU 可以增大 PWM 占空比來改變 MOS 的導通時間，從而控制電路中的電壓大小，進而控制電機轉速（電路中電壓大小決定電流大小，電流大小決定轉速大小）。

       2. Gate Driver 主要作用：由於 MCU IO 口的輸出電壓最大只有3V，而 MOS 完全導通的電壓需要在 10V-15V 之間，因此需要 Gate Driver 的幫助，Gate Driver 可以放大 MCU 輸出的 PWM 的幅值，給 MOS 管  柵極提供更大的電壓，提高 MOS 管的開關速度。
       3. 反電動勢過零點檢測：假設 C 相開路，該相上的電壓經過分壓後得到 Uc，母線電壓分壓後得到 Udc，此時Uc = 1/2 Udc + 3/2 e_C ，當 e_C = 0 時，Uc = 1/2 Udc，MCU 採集 Uc 和 Udc 後，將 Uc 連接到 MCU 內部ACMP 的正端，Udc經過 ACMP 內部的階梯分壓後連接到 ACMP 的負端，當兩個信號相等時 ACMP 產生反電動勢過零信號，觸發 CTIMER 捕獲，具體如圖 15 所示，同時 MCU 進行反電勢積分，當積分值達到特定閾值時，進行換相。


       4. 速度計算：MCU 通過定時器捕獲兩次反電動勢過零點時刻，進行電機轉速計算：v = (sysclock * 10)/value， sysclock 是 MCU 時鐘頻率，value 是兩次過零點時間間隔。

       5. 閉環控制：MCU 通過計算得到的實際速度後對電路電壓進行調整，進而控制電機速度，具體過程如下：

• 將目標速度與實際速度相比後，通過 PID 算法進行誤差修正，計算實際應當輸出的電流，即目標輸出電流。
• 將實際電流與目標電流相比後，通過 PID 算法進行誤差修正，計算實際應當輸出的電壓，即目標輸出電壓。
• 輸出電壓 = PWM 占空比 * 母線電壓，電機負載變化、電源紋波、電路阻抗等原因都會導致母線電壓波動，母線電壓無法調整，因此改變 PWM 占空比來實現輸出目標電壓。

       以上就是 BLDC 無感方波驅動的整體邏輯，如有疑問可以在評論區留言~

四．BLDC 驅動方案推薦

世平集團也針對無刷電機推出了一個 BLDC 高速電機無感方波驅動方案，適用於負載較輕，成本較低的吸塵器、風機等應用，具體參數如下。