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概述
本文主要介绍BLDC 电机控制的实现原理，还介绍了3类直流电机的工作方式以及控制的特点。从简单的钻机到复杂的工业机器人，许多机器设备都使用无刷直流电机将电能转换为旋转运动。掌握直流电机的控制是实现自动化控制的基本技能。
1 无刷电机介绍
1.1 电机原理
无刷直流电机也称为 BLDC 电机，相比有 刷直流电机具备诸多优势。BLDC 电机更高 效，所需的维护更少，因而已在许多应用中取 代了有刷电机。 两类电机的运行原理相似，均由永磁体和电磁体的磁极吸引和排斥产生旋转运动。但这些电机的控制方 式却大不相同。BLDC 需要复杂的控制器才能将单个直流电源转换为三相电压，而有刷电机可以通过调 节直流电压来控制。
有刷直流电机和无刷直流电机的比较：
1.2 电机的类型
1.2.1 有刷直流电机
在有刷直流电机中，直流电流通过转子 的线圈绕组，使电磁体产生极性。这些转子的磁极与 固定永磁体（称为定子）的磁极相互作用，从而使转子旋转。
转子每转动半圈之后，需要切换线圈绕组中 的电流极性，以对调转子磁极， 使电机保持旋转状态。
• 这种电流极性的切换被称为换相。
• 换相通过机械方式实现：转子旋转的每个半圈中，电触头（称为电刷）与转子上的换相器连成一 个回路。
• 这种物理接触会导致电刷随着时间推移而磨损，从而导致电机无法工作。-- 缺陷
1.2.2 无刷直流电机（BLDC）
BLDC 电机采用电子换相来代替机械换相，克服了有 刷电机的上述缺陷。为了更好地理解这一点，有必要 进一步了解 BLDC 电机结构。 BLDC 电机与有刷电机构造相反，其永磁体安装在转 子中，而线圈绕组则成为定子。
电机的磁体布局不尽相同，定子可能具有不同数量的 绕组，而转子可能具有多个极对，如以下动画所示。
无刷直流电机的电势：BLDC 梯形反电动势 采用梯形换相控制
1.2.3 永磁同步电机 (PMSM)
PMSM和BLDC 的结构类似，其永磁体均置于转子，并被定义为同步电机。在同步电机中，转子与定 子磁场同步，即转子的旋转速度与定子磁场相同。 它们的主要区别在于其反电动势（反 EMF）的形状。电机在旋转时充当发电机。也就是说，定子中产生感 应电压，与电机的驱动电压反向。反电动势是电机的重要特征，因为其形状决定了对电机进行最优控制所 需的算法
PMSM的电势：正弦反电动势，采用磁场定向控制
2 BLDC 电机控制的概述
2.1 无刷直流 (BLDC) 电机控制介绍
与机械换相或“有刷”电机相比，电子换相或“无刷”电机以其更高的电效率和转矩重量比而一直倍受欢迎。无刷直流 (BLDC) 电机和永磁同步电机 (PMSM)的差异主要如下：
永磁同步电机 (PMSM)的控制方式：
1）采用分布式定子绕组而呈现正弦反电动势
2）只使用磁场定向控制
无刷直流 (BLDC) 电机)的控制方式：
1）采用集中式绕组，其反电动势呈现梯形
2）可选择使用磁场定向控制
2.2 无刷直流电机的控制方法
无刷直流电机通常使用梯形控制，但也会使用磁场定向控制。梯形 BLDC 电机控制是一种比磁场定向控制更简单的方法。通过这种方法，一次仅为两相供电。转矩控制仅需一个 PID 控制器，而且与磁场定向控制相反，它无需使用帕克变换和克拉克变换进行坐标变换。
3 六步换相
3.1 原理简介
为了更好地理解施加外部电压时 BLDC 电机的行为，我 们将使用前面介绍的配置，其中转子由单极对组成，而定 子由夹角为 120 度的三个线圈组成。让电流通过线圈，给 线圈（此处称为 A 相、B 相和 C 相）通电。转子的北极用 红色表示，南极用蓝色表示。 一开始，线圈没有通电，转子处于静止状态。在 A 相与 C 相之间施加电压（如动画所示），即会沿虚线产生复合磁 场。这使转子开始旋转，从而与定子磁场对齐。
线圈对共有六种通电方法，如下所示。每次换相后，定子 磁场相应旋转，从而带动转子，使之旋转至图示位置。在 下面的动画中，转子角度是相对于水平轴而言的，转子共 有六种对齐方式，两两相差 60 度。
也就是说，如果每 60 度以正确的相位执行一次换相，电机将连续旋转，如以下动画所示。此类控制被称为 六步换相或梯形控制。
此类电机可以包含更多极对，但这就要求更为频繁地换相。为了在合适的时机以正确的相位执行电机换 相，控制器需要时刻掌握转子的确切位置，对此通常使用霍尔传感器进行测量。
3.2 电机和扭矩产生
将鼠标悬停在动画上，可查看两极如何相互作用。箭头表示相对磁力，箭头粗细表示场强。相同磁极相互 排斥，从而使转子逆时针旋转。同时，相反磁极相互吸引，从而在同一方向增加扭矩。
将先前讨论的定子磁场叠加到动画中，可以很明显地看 出，在这种换相方式中，转子从不对齐定子磁场（图中的 黄色虚线），而是一直在追赶定子磁场。
在 BLDC 电机中采用这种方式换相有两个原因。首先，如果 允许转子和定子磁场完全对齐，此时产生的扭矩为零，这不 利于旋转。其次，磁场夹角为 90 度时可产生最大扭矩。因 此，目标是使该夹角接近 90 度。
但在 BLDC 电机中，采用六步换相无法让夹角始终保持 90 度，夹角将在 60 度和 120 度之间波动，如以下动画所示。 这是因为梯形控制的性质相对简单。磁场定向控制等更先 进的方法可实现定子与转子磁场间 90 度夹角，以此产生更 大的扭矩，该方法常用于之前提到的 PMSM 控制。
4 三相逆变器的工作原理
为了在六步换相过程中控制相位，可使用三相逆变器将直流电引导到三个相，从而在正（红）负（蓝）电流 之间切换。为了向其中一个相供应正电流，需要打开连接到该相的高端开关，要供应负电流，则需要打开低端开关。
当转子与定子磁场夹角在 60 至 120 度之间时，按上述模式执行此操作，三相逆变器可使电机保持匀速旋 转。要改变电机速度，可以调节施加的电压。要在不改变电源电压的前提下控制电机速度，则可以采用脉宽调制 (PWM)。
5 控制模型的建立
使用梯形方法设计 BLDC 电机控制器的电机控制工程师需要执行下列任务：
1） 开发控制器架构，其中包含用于电流/电压内环的 PI 控制器
2） 为可选的转速外环和位置外环开发 PI 控制器
3） 调节所有 PI 控制器的增益以满足性能要求
4） 设计 SVM 控制
5） 设计故障检测和保护逻辑
6） 验证和确认控制器在不同工况下的性能
7） 在微控制器上实现定点或浮点控制器