BLDC原理（图文介绍）

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pamhood 发布时间：2015-5-8 11:01

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1、BLDC的原理：

无刷直流电机的运转，需要把5V，12V，或300V等直流电，变成三相电的相序，供给无刷直流电机，所以，从供电方式上，无刷直流电机就象是“三相交流电机”。无刷直流电机与我们市电三相异步电机有个不同，就是三相异步电机的转子磁场是感应出来的，感应磁场总是与绕组旋转电磁场能同步，不必增加额外的同步措施；而无刷直流电机的转子是贴的永磁体，所以有同步措施，让三相电的频率和相位与转子永磁体磁场同步，无刷直流电机才能平稳无抖动的运转，否则电机可能不转。所以，在不同转速下，跟踪转子永磁体相位，始终产生同频同步的三相电相序，是让直流无刷电机正常运转的关键。

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。

三相电的波形如图8-1所示，在30度到90度的时间里，C相电压摆幅只有一半，A、B相电压较高，电流主要由A相流向B相。在这个时间段里，变成方波驱动，就可以A相接电源，B相接地，C相悬空。同样的道理，在90度到150度时间段，A相接电源，C相接地,B相悬空。这样在360度一个周期里，电流就有六种流向，分别是：A->B, A->C, B->C, B->A, C->A, C->B ，如图8-1中标示。

图 8-1 三相电时序

三个半桥分别驱动三相，如图8-2，用1表示上边PMOS管导通，此相接电源；-1表示下边NMOS管导通，此相接地；0表示两个MOSFET都截止，此相悬空。正弦波就演变成了方波，波形如图8-1：

图 t2 三相电流驱动——电流由A流向C

六种电流流向如图8-3所示，每种电流流向产生的磁场方向是不一样的，六种磁场方向角差60度，磁场向量图见图8-3，按这六种时序依次给电机绕组通电，产生旋转的电磁场，吸引转子上的永磁体使转子旋转。六次换相后，两极电机就转一圈，四极电机就转半圈。磁极是成对出现的，所以四极电机又称两极对、或两对极电机。

图 t3 方波驱动六种通电相序和磁场向量

2 过零检测

当旋转的定子电磁场与转子永磁体的磁场垂直的时候，转子的力矩最大。所以对应于六种磁向量的每一种，转子磁场都应在定子磁场的90度的一边30度处，转到另一边30度处，如此电机的力矩才最大。

在不同的转速下，如何让轮流导通的功率管，始终保证绕组磁场、和转子永磁体磁场的这种同步的相位关系呢？

图 t4 旋转的电机绕组磁场与永磁体磁场的关系

简单有效的办法就是加装转子位置检测，可加光栅码盘，或者加装三个霍尔传感器，后者体积较小。这样就可以根据霍尔传感器感知到的转子永磁体的位置换相，无论转快转慢，来至功率管输出的三相电的相位，总是能与转子保持同步。但霍尔传感器会失效，三个霍尔传感器加上电源有五个引线，增加的引线也过多。

电机转动时，绕组在永磁体的磁场中运动，会产生感应电动势，BLDC成了三相发电机。从三相波形图来看，悬空的那一相，电压会从正峰值的一半，逐渐变小到0，再变到负峰值的一半，或者反向变化，电压有一个过零的过程。如果换相不正确，这一段时间电压就会过高，或过低，甚至电压不会过零。所以方波驱动方式，可以检测悬空的那一相的感应电压是否过零，来判断换相是否正确。过零点刚好在两次换相的中间时刻。

一般三相电机的中点是不引出线的，可以做一个能代表中点电位的电路网络，也可以采用下述的无中点检测法。

电机正常运转时，电机引出端对地的端电压，是感应相电压U与中点电压的叠加，三相中点对地电压基本在电源值的一半处波动,即VCC/2。三相的线电压峰值应略小于电源电压，即略小于 VCC/file:///C:/Users/hooke/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image010.gif = 0.58*VCC,一般就按VCC/2来计算。这也就是说，电机悬空端对地的电压值，以VCC/2为中心,上下波动幅度VCC/2，VCC/2处就是过零点。当PWM波的占空比不是100%时，这里的电源电压VCC应再乘以占空比的百分数。

换相之后设置一定时器，检到过零点后，读出时间值，再定时相同时间后，换相。也可以采用调节比较门限的方式，门限不用VCC/2，感应电压上升阶段用较高的门限，比如VCC*3/4；下降阶段用一个较低的门限，比如VCC/4，检到电压跨过门限值后就立即换相，这样处理器会省点事，电机照样正常运转，只是可能稍损失一点电源效率。

判断何时换相的另外一种方式，就是检测两相的电压值，出现两相电压相等时，就立即换相。这种方式在PWM占空比较大时，误差较大，因为是方波驱动，电机引线端电压不是规整的正弦波。

3 调速

直流电机的转速，与供电电压基本是成比的，电机某一相通电时，只要调节MOS FET导通的占空比，相当于调压，也就实现了调速。对于方波驱动来说，上边、或下边MOSFET，只要有一边输出PWM波，另一边的MOS FET只在换相时变换开关状态即可。比如电流由A流向B时，A半桥上臂MOS管输出PWM，B半桥下臂MOS管处在导通状态。