BLDC无刷直流电机的原理及驱动基础

 

无刷直流电机（BLDC）与永磁同步电机（PMSM）在结构上均采用永磁转子和三相定子绕组，但控制策略不同：

• ​BLDC​：采用方波驱动（六步换相），电流为梯形波，依赖霍尔传感器或反电动势（BEMF）检测转子位置。
• ​PMSM​：采用正弦波驱动（FOC算法），电流为正弦波，需高分辨率编码器或观测器获取位置。
  方波驱动因算法简单、对处理器要求低而广泛应用；正弦波驱动则适用于低噪音、高精度场景。

 

 一、方波控制理论基础

方波控制（六步换相）通过六种开关状态组合生成离散的电流矢量，每个状态持续60°电角度。转子位置检测（Hall/BEMF）触发换相，形成旋转磁场牵引转子同步运动。

六步换相中，三相桥臂的六种开关状态（如100、110、010等）对应六个空间电压矢量。每个矢量方向固定，通过顺序切换合成近似圆形磁场（实际为六边形轨迹）。

二、方波算法实现步骤

（1）Hall 方波控制：

1.读取母线电流采样的AD 值，计算母线电流

 

2.电流环计算应该给的PWM 占空比，控制电流为给定电流大小

 

3. 读取hall 状态，根据Hall 状态与三相桥臂开管状态关系数组，得到相应的开管状态，每次hall 状态的跳变沿及为三相桥臂状态切换的时间点（也称为换相点）。

 

4. Hall 相邻状态间的扇区为一个电周期的六分之一，即为60°，用定时器可记录60°扇区所用的时间，从而计算电流频率，从而得到电机转速。

 

5. 以电流环作为内环，速度环作为外环，电机进行闭环控制，如Hall 方波控制框图。对于Hall 方波控制来说，电机启动时，就已经知道电机转子位置，直接用hall 状态对的矢量力矩去拉电机，就可启动电机，并可直接进闭环控制。

（2）BEMF 方波控制：

1.读取母线电流采样的AD 值，计算母线电流。

2.电流环计算应该给的PWM 占空比，控制电流为给定电流大小

3. 保持一种开管状态（即保持一个方向矢量定位），定位完成，然后按一定频率改变开管状态，并按规律提升改变频率。到达切换电频率，然后切换到反电动势模式。

4. 用一个较高频率定时器中断读取相比较器输出状态，若相比较器输出电平发生翻转，则说明该相反电动势产生过零，此时，读定时器D 时基计数值，保存，然后清定时器D，并配置定时器D 的比较寄存器0 的比较值，开定时器D 开始计时，直到产生PWMD0 中断，在中断中改变开关管状态，也就是找到过零点延迟30°电角度再换相。

5. 以电流环作为内环，速度环作为外环，电机进行闭环控制，对于BEMF 方波控制来说，电机启动时，是不知道电机转子位置，所以需要用外同步方式启动电机，让定子电流按给定大小和频率拖动电机转子跑，然后电机达到切换电频率，就可切换到反电动势模式跑电机，并运行速度和电流闭环控制。