BLDC 驱动架构介绍

BLDC无刷电机，顾名思义就是没有电刷的电机，因为没有电刷，无刷电机在运行过程中噪音小，也不存在电刷损坏的情况。 BLDC 由于其高效率、长寿命、低噪音、易于维护等特点，正在逐渐替代有刷电机，今天就给大家介绍一下 BLDC 及 BLDC 的驱动架构。

一. BLDC 介绍

BLDC 无刷电机结构如图 1 所示，BLDC 由定子和转子组成。

BLDC 的定子由线圈组成，由高中知识我们知道通电线圈附近可以产生磁场，磁场方向由电流方向决定，如图 2 所示，因此我们只需要改变线圈电流方向，就可以改变线圈产生的磁场方向。

BLDC 的转子由永磁体组成，利用同性相斥，异性相吸的原理，通过给定子通电产生相应方向的磁场，就可以让转子转动起来，具体过程如图 3 所示。

实际应用中为了控制方便，通常会将 ABC 三个绕组连接在一起，形成一个星型连接，如图4 所示，这样子只需引出三根线就可以对电机进行控制。

如图 5 所示，A 接电源正极，C 接电源负极，这样就可以实现 AC 两相上电流方向相反，产生的磁极也相反，吸引转子逆时针旋转。

当转子 S 极靠近 A，电路进行换相，B 接电源正极，C 接电源负极，吸引转子继续旋转。以此类推，只需要按照 AC-BC-BA-CA-CB-AB 的顺序依次通电，就可实现转子旋转 360°，循环通电，就可以实现转子持续旋转。

二．转子位置检测

在 BLDC 的转动过程中，我们需要知道转子转到哪里了，才能决定给 A/B/C哪两相通电。检测转子位置一般有两种办法：

1. 霍尔传感器检测法：如图 7，一般在定子上放上三个霍尔传感器，通过霍尔传感器检测转子位置：当 N 极靠近霍尔传感器时输出 1，S 极靠近霍尔传感器时输出 0。

三个霍尔值组成 6 种组合，不同的霍尔值代表不同的扇区，每个扇区 60°，转子每转过 60° 就需要进行换相，如图 8 所示。控制器通过霍尔传感器的值判断转子在哪个扇区，根据表格给相应定子通电。图中转子处于扇区 4，霍尔值为 100，根据表格此时需将 B相连接电源正极，C相连接电源负极（顺时针旋转的情况下）。

2. 反电动势检测法（无感）：当线圈周围的磁场（磁通量）改变时，线圈上会产生反电动势，定子上反电动势变化如图 9 所示，Z 是反电动势过零点，C 是换相点，由图可知 C点滞后 Z 点 30°，Z 点与 C 点之间有一个面积为 S 的三角形，每个电机的 S值是固定的。当控制器检测到反电势过零点，开始对反电动势进行积分，当积分值等于 S 时，说明到达换相点，在一个电周期 360° 中一共有 6 次换相点。

无论采用霍尔传感器检测法还是反电动势检测法，一个电周期中都需要经过六次换相，也成为六步换相。在六步换相方式下，电机的相电压接近方波，如图 10 所示，所以称为方波控制。

三．具体控制过程

本文将对 BLDC 无感方波驱动架构进行介绍，框图 11 所示。

1. MCU 通过 PWM 控制 MOS 管的通断，从而控制电路中电流大小和方向。如图 12 所示，假设 S1，S6 导通，此时电路中的电流流向为：电源正极 → S1 → A → C → S6 → 电源负极，这个时候 AC 通电，B 相浮空。如图 13 所示，假设 S5，S2 导通，此时电路电流方向相反。同时 MCU 可以增大 PWM 占空比来改变 MOS 的导通时间，从而控制电路中的电压大小，进而控制电机转速（电路中电压大小决定电流大小，电流大小决定转速大小）。

2. Gate Driver 主要作用：由于 MCU IO 口的输出电压最大只有3V，而 MOS 完全导通的电压需要在 10V-15V 之间，因此需要 Gate Driver 的帮助，Gate Driver 可以放大 MCU 输出的 PWM 的幅值，给 MOS 管栅极提供更大的电压，提高 MOS 管的开关速度。

3. 反电动势过零点检测：假设 C 相开路，该相上的电压经过分压后得到 Uc，母线电压分压后得到 Udc，此时Uc = 1/2 Udc + 3/2 eC ，当 eC = 0 时，Uc = 1/2 Udc，MCU 采集 Uc 和 Udc 后，将 Uc 连接到 MCU 内部ACMP 的正端，Udc经过 ACMP 内部的阶梯分压后连接到 ACMP 的负端，当两个信号相等时 ACMP 产生反电动势过零信号，触发 CTIMER 捕获，具体如图 15 所示，同时 MCU 进行反电势积分，当积分值达到特定阈值时，进行换相。

4. 速度计算：MCU 通过定时器捕获两次反电动势过零点时刻，进行电机转速计算：v = (sysclock * 10)/value， sysclock 是 MCU 时钟频率，value 是两次过零点时间间隔。

5. 闭环控制：MCU 通过计算得到的实际速度后对电路电压进行调整，进而控制电机速度，具体过程如下：

将目标速度与实际速度相比后，通过 PID 算法进行误差修正，计算实际应当输出的电流，即目标输出电流。
将实际电流与目标电流相比后，通过 PID 算法进行误差修正，计算实际应当输出的电压，即目标输出电压。
输出电压 = PWM 占空比 * 母线电压，电机负载变化、电源纹波、电路阻抗等原因都会导致母线电压波动，母线电压无法调整，因此改变 PWM 占空比来实现输出目标电压。