如何实现无刷直流电机的换相和调速呢

无刷直流电机应该在什么时候换相呢？
无刷直流电机如何实现转子位置检测呢？
如何实现无刷直流电机的换相和调速？

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李艳茹

2021-8-4 14:38:56

通过前面的文章我们可以知道一个结论，无刷直流电机驱动是需要特定的通电换相，AB/AC/BC/BA/CA/CB-》AB。通过这个通电相序可以使得BLDC按照顺时针方向旋转起来。那么我们应该在什么时候换相呢？这一节就梳理一下如何实现无刷直流电机的换相和调速。
引用第二节的一句话：当转子位置旋转到水平位置时，转子所受力矩为0，但是由于惯性的作用，此时电机的转矩会继续顺时针转动，如果在这个时候，将电流的方向反向，那么电机的转子将会继续按照顺时针转动。三相通电情况下，不存在水平位置，但是存在一个拟平衡状态。三相转子位置转到拟平衡状态时进行换相操作，因此，判定转子是否达到换相条件是这一节的关键点。
既然换相的实际取决于转子位置，那么如何实现转子位置检测呢？
1、通过霍尔信号检测转子位置
和有刷直流电机不同，BLDC电机的换向是以电子方式控制的。要使BLDC电机转动，必须按一定的顺序给定子绕组通电。为了确定按照通电顺序哪一个绕组将得电，知道转子的位置很重要。转子的位置由定子中嵌入的霍尔效应传感器检测。多数BLDC电机在其非驱动端上的定子中嵌入了三个霍尔传感器。每当转子磁极经过霍尔传感器附近时，他们便会发出一个高电平或低电平信号，表示N极或者S极正在经过该传感器，根据这三个霍尔传感器信号的组合，就能精确检测转子位置，决定换相的精确顺序。霍尔信号在电机运动中的变化过程如下图所示，当霍尔和电机在做相对运动时，会随着转子下磁通密度的变化，产生高低电平。（一般是N极为高电平，S极为低电平）

那么具体三相霍尔信号在一整个电角度周期的变化情况如何呢？具体情况如下图所示，霍尔会按照【001 - 101 - 100 - 110 - 010 - 011】 - 001 -101 - 100 - - - - - - 六步变换，因此，根据三相霍尔信号可以检测出电机转子位置所处的扇区。根据霍尔信号指定的位置，可以指定开关序列。

2 如何通过霍尔信号分配开关序列
引用一下前面文章阐述的六种通电情况。一共有6种情况，ABACBCBACACB（这里需要注意一个点，AB和BA虽然都是A和B两相通电，但是电流方向不同，所以取得的效果也不同）。上述六种情况会产生六种不同的工作磁路，如下图所示。以其中一个为例进行分析，当AB通电时，且A为正极，B为负极，根据右手螺旋定则，A相产生的磁场方向如红色箭头所示，B相线圈产生的磁场方向如蓝箭头方向所示，那么电机就会产生绿色的箭头方向的合成磁动势。电机的永磁体转子就会向着绿色箭头所在位置旋转。在这六种状态中，按照特定的顺序切换，电机就会持续的旋转起来。（转子的位置就在中心）。可以发现，这六种开关序列产生的磁动势的位置就在两个扇区的交接点处。

那么结合霍尔信号，该怎么匹配通电情况呢？那么假设当前霍尔信号为110，那么此时电机的转子位置就在上图所示的110区域，这个时候为了使得电机继续转动，需要一个位置处于110-010两个扇区临界点的磁动势，A+B- 产生的磁动势正好与此位置匹配。按照此原则，可以得到一个与霍尔相序对应的开关角表格。

这个开关角表格如下图所示：（注意啊，这里的开关表格仅适用于上图结构，也就是三相两极的BLDC，四极的与这个不一样，切记，为这个问题困扰了好久，后面4极的会单独讨论）

如果是反转，其分析过程与上面类似，当前霍尔信号为110，需要一个位置处于110-100 两个扇区临界点的磁动势，C+B-产生的磁动势正好与此位置匹配。按照此原则，也可以得到一个与霍尔相序对应的开关角表格。

通过上述两个表格，对电机的驱动信号进行分配，即可使得BLDC电机转动起来。
小结：
1、霍尔信号在电机运动中的变化过程如下图所示，当霍尔和电机在做相对运动时，会随着转子下磁通密度的变化，产生高低电平。
2、不同的电机位置需要不同的磁动势，因此可以将霍尔信号和通电相序匹配起来，得到换相表格，生成PWM驱动电机旋转。
相信经过这篇文章，铁汁们对这个BLDC的驱动逐渐有信心了吧，咱都已经知道你怎么动了，也知道怎么检测你转到哪里了，咱还知道了如何让你在特定的位置继续转下去的操作了，诶，那我不是一手即可掌握你了。其实梳理到这里，我心中已经大致有一个仿真搭建的思路了，毕竟驱动电机最难的一步就是如何给他供电嘛，后面控制怎么设计，那些怎么也比不上我现在能够让电机动起来来得喜悦呀。所以，下一节，咱们先把电机转起来，先爽一把再说。
补充一下：由于不同厂家提供的绕组和磁极位置排布不同，以上开关角表格也不同，但是分析原理是一致的。

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