BLDC电机的结构和控制及其三种换向方法

三相永磁无刷直流（以下简称“BLDC”）电机控制需要一个电子换向电路，而传统的有刷直流电机是采用机械自换向的方式。与有刷直流电机不同，BLDC电机没有电刷，无需定期维护或更换，因而不易受到磨损。

本文将简要介绍 BLDC 电机的结构和控制，然后介绍三种换向方法：

梯形换向

磁场定向控制

直接扭矩和磁通控制

最后将介绍一种创新的BLDC换向方法，可以以单个电机控制集成电路(IC)实施三种换向方法中的任何一种。

  BLDC结构

BLDC电机是一种旋转式的电机，定子上有三相电枢绕组，转子上有永磁体，与有刷直流电机的定子包含永磁体相反。BLDC转子上的永磁体提供了一个恒定的磁场，使其成为一个高效率、高扭矩、低转动惯量的电机。三相BLDC电机控制设计，可以采用分立元件或集成的功率模块专用控制IC实现。集成的解决方案可以通过减少PCB面积和制造步骤来降低整体系统成本，提高可靠性，最少化物料单(BOM)元件，降低库存成本，并促进新逆变器设计方案快速重用迭代。

  BLDC控制

一个含三相全桥的功率级和一个控制器构成一个典型的三相BLDC电机驱动器。它们提供基于三个霍尔效应传感器的三相脉宽调制（PWM）信号--或者一个编码器，为有传感器工作提供位置反馈，或为无传感器工作提供反电动势信号感测。BLDC电机的定子绕组产生梯形反电动势波形。

电子换向控制电路使用六步梯形和磁场定向控制 （FOC）（也称为矢量控制的换向方法）确定 BLDC 电机的位置和速度。霍尔效应传感器和反电动势传感都提供了一种经济高效的转子位置感测方法。

图1 BLDC体现霍尔传感器位置

  梯形换向

6步梯形换向法因其控制算法简单很受欢迎，这种方法在每个电机相上使用两个功率开关器件，遵循预先确定的序列。三个霍尔效应传感器提供转子位置信息，对控制电机速度非常有效。六个步骤的开关序列被确定为在电机旋转时实施两个连续的电机相位（间隔60°）。

图2 6步梯形控制波形

  磁场定向控制

更适合高端应用的有传感器或无传感器FOC，是一种更复杂的换向方法，具有更高的处理要求。基于电机电流反馈计算出的电压和电流矢量对电机换向，实现速度和扭矩的精确动态控制，从而在宽工作范围内保持高效率。

  直接扭矩和磁通量控制

DTFC是安森美(onsemi)和Theta Power Solutions, Intl (TPSI)共同合作开发的一种新颖独特的、更高效的无传感器BLDC电机换向方法。该方法使低速重载运行的BLDC电机的磁通弱化，以提高高速能力并具有最小的扭矩纹波，非常适合制动算法，以对高惯性负载提供受控减速。

  3合1的控制选择

安森美的ecoSpin系列可配置电机控制器可选用三种BLDC控制方法中的任何一种。ECS640A是个系统级封装（SiP）方案，集成了一个Arm Cortex-M0+微控制器、三个检测放大器、一个参考放大器、三个自举二极管和一个为高速运行而设计的高压栅极驱动器。它驱动工作电压高达600V的MOSFET和IGBT（FAN73896），并有六个栅极驱动器输出，可向外部功率器件提供350mA/650mA（典型值）的栅极灌电流/拉电流，还集成霍尔传感器，支持有传感器或无传感器工作。小尺寸和灵活的集成度使该器件非常适合与分立功率器件一起使用，以最大化扩展性。

电机控制系统设计人员会喜欢这种集成的解决方案，它使系统易于快速设置，不会因旋转电机的细节疏漏而出错，易于使用的图形用户界面简化了代码开发，加快产品面市。

  灵活度和集成度

BLDC电机越来越受欢迎，要充分发挥其优势，需要采用最合适的换向方法。选择BLDC电机控制器IC，提供最多换向选择和高集成度的IC是有意义的。安森美的ECS640A电机控制器提供了这种灵活度，支持有传感器和无传感器应用，包括白家电、制冷压缩机和鼓风机、瓶装冷却器、暖通空调鼓风机和冷凝器、泳池泵、工业驱动和泵以及机器人。

审核编辑：刘清