三相无刷直流电机驱动原理分析（关节电机学习第三节）

三相无刷直流电机驱动原理分析永磁同步电机PMSM严格的来说也可以划分到BLDC这一类因此适用于BLDC的控制方法同样也适用于PMSM。本文主要介绍阐述三相无刷电机的基本驱动原理以及常见的六步换向驱动方法。1. 驱动系统概述三相无刷直流电机通常简称为三相 BLDC。它使用直流电源供电但 U、V、W 三相绕组不能直接长期连接直流电源而是需要三相逆变器按照转子位置不断改变绕组的通电顺序和电流方向。直流电源 ↓ 三相逆变桥 ↓ U、V、W 三相电流 ↓ 定子旋转磁场 ↓ 永磁转子输出机械转矩有刷直流电机利用电刷和机械换向器改变电枢电流方向无刷直流电机则利用功率开关和控制器完成电子换相。完整的三相无刷驱动系统通常包括直流电源或电池直流母线电容三相逆变桥MOSFET 栅极驱动器MCU、DSP 或专用电机控制芯片霍尔传感器、编码器或无位置检测模块电流、电压和温度采样电路过流、过压、欠压和过温保护电路。2. 三相逆变桥2.1 六个功率开关三相逆变桥由三个半桥组成每个半桥包含一个上桥臂 MOSFET 和一个下桥臂 MOSFET共六个功率开关。直流母线正极 VBUS │ ┌─────────────┼─────────────┐ │ │ │ Q1 Q3 Q5 U相上管 V相上管 W相上管 │ │ │ U V W → 电机三相 │ │ │ Q2 Q4 Q6 U相下管 V相下管 W相下管 │ │ │ └─────────────┼─────────────┘ │ 直流母线负极 VBUS−上桥臂导通时相线被连接到母线正极下桥臂导通时相线被连接到母线负极。控制器通过组合六个功率管的状态改变电流在三相绕组中的流动方向。2.2 桥臂直通与死区同一桥臂的上、下管不能同时导通否则会形成VBUS → 上桥臂 MOSFET → 下桥臂 MOSFET → VBUS−这相当于直流母线短路称为桥臂直通。为避免上下管在切换瞬间重叠导通驱动器会先关闭一个功率管等待一小段时间后再打开另一个功率管这段时间称为死区时间。死区太短可能导致直通死区太长则会造成相电压误差、电流畸变和转矩脉动。2.3 栅极驱动与母线电容MCU 的输出能力通常不足以直接驱动功率 MOSFET因此需要栅极驱动器为 MOSFET 栅极快速充放电并实现高侧驱动、欠压锁定和故障保护等功能。母线电容则负责提供开关瞬间所需的脉动电流、减小母线纹波并吸收电压尖峰。高频陶瓷电容应尽量靠近功率桥以缩小高频电流回路。3. 两相导通如何产生转矩传统六步换相中每个时刻主要有两相通电一相接近母线正极另一相接近母线负极剩余一相悬空。例如 U 相上管和 V 相下管导通时VBUS → U相上管 → U相绕组 → V相绕组 → V相下管 → VBUS−此状态记为U、V−、W悬空U、V 两相电流形成一个确定方向的定子磁场。切换到下一个导通组合后定子磁场向前移动60°电角度。六个状态循环执行就能形成连续向前旋转的定子磁场。转子永磁体会受到定子磁场的吸引和排斥作用从而产生切向电磁力和电磁转矩。控制器必须使定子磁场相对转子磁场保持合适的领先角度换相过早、过晚或相序错误都会造成转矩下降、电流增大、振动甚至堵转。每相绕组可以近似看成电阻、电感和反电动势的组合u R × i L × di/dt e其中R × i是绕组电阻压降L × di/dt是改变绕组电流需要的电感压降e是转子旋转产生的反电动势。低速和堵转时反电动势很小必须依靠驱动器主动限制电流高速时反电动势增大会占用大部分母线电压使电流更难继续上升。4. 六步换相4.1 六个换相状态传统三相 BLDC 通常采用六步换相也称120°导通控制。每个状态持续60°电角度六个状态构成一个完整电周期。下面给出一组正转换相顺序步骤正向通电相负向通电相悬空相主要导通器件1UV−WU 上管、V 下管2UW−VU 上管、W 下管3VW−UV 上管、W 下管4VU−WV 上管、U 下管5WU−VW 上管、U 下管6WV−UW 上管、V 下管完成第 6 步后重新回到第 1 步。该表只用于解释换相逻辑。实际电机的相序和霍尔映射取决于绕组接线及传感器安装方向不能对所有电机直接照搬。在一个电周期中每相绕组通常经历正向导通 120° → 悬空 60° → 反向导通 120° → 悬空 60°六步控制的定子磁场每次跳变60°电角度因此会产生一定的换相转矩脉动。4.2 电角度与机械角度.θe p × θm其中p为极对数。一个 7 极对电机转过1°机械角度对应7°电角度。机械转速、电频率和换相频率的关系为fe p × n / 60 fcomm 6 × fe其中n的单位为rpmfe为电频率fcomm为每秒换相次数。4.3 正反转反向执行六个换相状态即可改变旋转方向正转1 → 2 → 3 → 4 → 5 → 6 反转6 → 5 → 4 → 3 → 2 → 1交换任意两根相线也会改变相序但带霍尔或编码器时还必须重新匹配位置传感器与换相表。高速运行时不能瞬间反转换相顺序应先通过限流制动降低转速再建立反向转矩否则容易产生很大的母线电流和回馈过压。5. 转子位置检测5.1 霍尔传感器三个数字霍尔信号可以组合成八种状态其中通常有六个有效状态001、101、100、110、010、011000和111一般视为非法状态。下面给出一组与前述换相表对应的示例霍尔状态换相命令001U、V−101U、W−100V、W−110V、U−010W、U−011W、V−霍尔传感器的优点是静止时也能判断转子扇区启动可靠、算法简单缺点是只能给出六个粗略位置区间低速转矩脉动仍较明显。5.2 反电动势过零检测无位置传感器六步控制通常检测悬空相的反电动势。理想情况下悬空相反电动势经过零点后再延迟约30°电角度执行下一次换相。检测悬空相过零 ↓ 估算经过 30° 电角度所需时间 ↓ 执行下一次换相静止时没有反电动势低速时反电动势又很小所以无感系统一般需要先进行预定位和开环加速达到一定转速后再切换到过零检测闭环。5.3 编码器伺服与机器人关节通常使用编码器、磁编码器或旋转变压器获得连续转子角度。编码器安装后必须校准机械零位与电角度零位之间的偏置否则可能出现电流很大但转矩很小、运行方向错误或电机抖动。6. PWM 调压与电流控制6.1 PWM 的作用控制器通过快速开关功率管并改变一个 PWM 周期中的导通时间来调节绕组平均作用电压占空比 D 导通时间 / PWM周期 平均作用电压 ∝ D × VBUSPWM 直接调节的是绕组电压而不是机械转速。转速最终由反电动势、负载转矩、绕组压降和控制闭环共同决定。6.2 续流过程电机绕组具有电感电流不能瞬间改变di/dt ≈ (u - e - Ri) / LPWM 关断或发生换相时绕组电流会通过 MOSFET 体二极管或同步导通的 MOSFET 继续流动。这个过程称为续流。同步整流通过主动导通合适的 MOSFET 代替体二极管传导电流可以减小压降和损耗但必须正确处理死区和电流方向。6.3 电流采样方式方式特点单母线采样成本低但需要根据开关状态重构相电流双电阻采样可重构三相电流成本与性能折中三电阻采样每相独立采样信息完整常用于 FOC相线电流传感器测量直观、隔离灵活但成本较高采样时刻应避开 MOSFET 开关尖峰并考虑采样放大器建立时间和 ADC 转换时间。6.4 控制环结构目标位置 ↓ 位置环 ↓ 速度环 ↓ 产生目标转矩或目标电流 电流环 ↓ 产生 PWM 占空比 逆变器与电机电流环通常最快速度环次之位置环最慢。先快速控制电流才能限制并准确调节电磁转矩。7. 启动过程7.1 带霍尔启动上电自检 ↓ 读取霍尔状态 ↓ 确定初始换相扇区 ↓ 施加受限启动电流 ↓ 随霍尔状态变化正常换相7.2 无位置传感器启动无感系统一般按照以下步骤启动给特定两相通电将转子拉到已知位置按预定周期进行开环换相逐渐提高换相频率使电机加速反电动势足够明显后切换到过零检测闭环。开环加速过快时转子可能跟不上定子磁场启动电流不足时则无法克服负载和静摩擦。8. 制动和能量回馈8.1 自由滑行关闭主动驱动后转子依靠惯性继续转动并逐渐停止。该方式冲击小但停机时间长。8.2 短路制动同时导通三个下桥臂或三个上桥臂可以把三相端子连接到同一电位。旋转电机产生的反电动势会形成制动电流。能量主要消耗在绕组和功率器件上因此需要限制电流并关注温升。8.3 再生制动当电磁转矩方向与转速方向相反时电机可以将机械能转换为电能送回直流母线。如果电源不能吸收这部分能量母线电压会升高此时需要使用可充电电池、制动电阻或限制减速度和回馈电流。9. 保护与常见故障驱动器通常需要具备硬件快速过流保护软件电流限幅母线过压和欠压保护MOSFET、驱动板和电机过温保护堵转和启动超时保护霍尔非法状态和编码器故障检测缺相、短路和栅极驱动异常保护。现象可能原因电机只抖动不旋转相序错误、霍尔映射错误、启动电流不足或机械堵转空载电流异常大换相角错误、桥臂故障、轴承阻力大或绕组短路转矩小但发热严重相序与位置传感器不匹配、换相过早或过晚高速时失速母线电压不足、反电动势过高或换相时刻错误MOSFET 频繁损坏桥臂直通、保护太慢、母线尖峰或散热不足无感启动失败负载过大、开环加速曲线不合适或检测切换过早10. 六步换相与 FOC三相逆变桥既可以驱动六步换相 BLDC也可以执行正弦控制和 FOC。两者的区别主要在控制算法和目标电流波形而不是功率桥的基本结构。对比项六步换相FOC导通方式每个区间主要两相导通三相电流连续调制目标电流方波或近似方波正弦波位置要求六个电角度扇区连续、较精确的电角度控制复杂度较低较高转矩脉动相对较大通常较小低速平稳性一般较好机器人关节要求低速平稳、噪声低和精确转矩控制因此通常使用编码器配合 FOC。不过六步换相能最直观地说明三相逆变桥、相电流方向和电子换相的基本原理。11. 计算示例假设电机参数为极对数 p 7 机械转速 n 600 rpm 转矩常数 Kt 0.1 N·m/A 目标电磁转矩 T 1 N·m电频率为fe p × n / 60 7 × 600 / 60 70 Hz六步换相频率为fcomm 6 × fe 420 次/秒平均换相间隔约为1 / 420 ≈ 2.38 ms忽略损耗并保证电流定义与Kt一致时目标转矩所需电流约为I ≈ T / Kt 1 / 0.1 10 A换相频率由电机转速和极对数决定与 PWM 频率不是同一个概念。PWM 频率通常远高于换相频率例如20 kHz。12. 本节总结直流母线提供能量 ↓ 三相逆变桥控制 U、V、W 相电流方向 ↓ 位置传感器或估算算法确定换相时刻 ↓ 六步换相或 FOC 形成旋转定子磁场 ↓ PWM 和电流环调节电磁转矩 ↓ 速度环、位置环控制机械运动分析三相无刷驱动时应始终回答三个问题当前电流从哪一个功率管流入又从哪一个功率管流出当前定子磁场方向是否与转子位置正确匹配PWM 关断和换相瞬间绕组电流通过什么路径续流。只要能够画清这三件事大部分驱动现象和故障就能得到解释。