復雜BLDC控制帶來更高效電機應用

電子發燒友網報道（文/李寧遠）從簡單的電動工具到復雜的機器人，許多機器設備都使用無刷直流電機BLDC將電能轉換為旋轉運動。在低能效電機漸漸滿足不了各行各業需求的今天，高能效的無刷直流電機完成對低能效電機的替代已經是大勢所趨。

在高效率、高扭矩、低噪音、長壽命、響應快速等優勢的加持下，越來越多電動設備開始向BLDC轉變。雖然BLDC有著這么多優勢，但實現BLDC的控制是相對較難的。

BLDC控制的實現

從工作原理上來看，BLDC作為電機，其基本構造也是定子加轉子，定子是通電的線圈，轉子是永磁體。根據電磁感應原理，只要給定子上的線圈接入適當方向的電流，讓產生的磁極方向與永磁體的磁極對應，就可以旋轉起來。也就是說，控制電流的大小和方向，就能控制BLDC轉子的旋轉。

對轉子的旋轉完成了控制還不夠，因為此時還不知道轉子的位置。為了控制BLDC，需要BLDC電機控制要求了解電機進行整流轉向的轉子位置和機制。對于閉環速度控制，有兩個附加要求，即對于轉子速度或電機電流以及PWM信號進行測量，以控制電機速度以及功率。

如何得知轉子當前的位置，分出了有感和無感兩類控制策略。有感控制最常見的是使用霍爾傳感器，給轉子位置提供最直接最有效的檢測。不過有感的方案不可避免地會使電機的體積變大，需要的信號引線增多，生產成本增加。

特別是在某些應用中，如果環境存在偏極端的高溫高壓工況，額外配置的位置傳感器可能會受到影響，進而影響整個電機系統的可靠性，有系統運行失效的風險。

無感的控制雖然則進一步加大了BLDC的控制難度，沒有了額外的傳感器，那么控制算法勢必會更加復雜，同時還需要引入前饋控制、觀測器等概念。但在不需要編碼器等額外的傳感器的情況下完成控制雖說更復雜，但無感控制也帶來了更簡潔的電機結構并且降低了傳感器失效風險。

目前我們常見的BLDC，硬件配置層面絕大多數控制方式都以六個功率開關器件構成的電子換相電路搭配成全橋，控制和驅動組合，再加上位置反饋電路和電流采樣電路。軟件層面則是方波、正弦波控制。

六步換相控制與FOC控制


在方波驅動里，六步換相是使用的非常多的控制手段。六步換相意為在任意時刻三相BLDC只有兩相通電，另一相開路，三相兩兩通電，共有六種組合，以一定的順序每60°變化一次，每360°電周期換相6次，換相發生在兩個相鄰狀態的切換瞬間，由開關管切換完成。以此產生旋轉的磁場，拉動永磁體轉子隨之轉動。

對于有感的控制方案來說，三個位置傳感器每當電機每轉過60個電角度，其中一個霍爾傳感器就會改變狀態。而對于無感的控制來說，是沒有位置傳感器的，那要如何判斷電機轉子位置呢？

無感需要依靠反電動勢來確定，此時位置反饋電路被替代為反電動勢過零檢測電路。每當電機發生換向時，反電動勢的電壓極性發生變化，即反電動勢經過零值。通過識別反電動勢過零點，來識別轉速位置換向的過程。不過無感的方式復雜很多，電機轉速為零或較低的情況下很難檢測到。

六步換相是非常經典的電機控制方案，實現起來也很簡單，不過方波控制存在比較大的轉矩脈動，會有比較大的噪音。FOC則是一個復雜且強大的BLDC控制方法，無感FOC則進一步加大了控制難度。

現在FOC、無感FOC功能幾乎已成為BLDC MCU的標配，是體現控制能力的核心競爭力。也有叫做VC的說法，雖然FOC和VC二者概念上是有差異的，但在大多數場景里，二者指的是同一種控制方法，即通過精確地控制磁場大小和方向實現更平穩的轉矩控制、更小的噪聲、更高的效率以及更高速的動態響應。

目前FOC正弦波控制已在很多應用上逐步替代傳統的控制方式，尤其是在運動控制行業中，其高效的特點、準確的特點優勢很明顯。FOC全稱磁場定向控制，拆分開來磁場、定向和控制也是該技術實現的步驟。

首先通過SVPWM合成矢量磁場，再通過各種檢測手段測量轉子位置，最后根據期望的定子磁場矢量對磁場的大小和方向進行準確控制。FOC解決了精確控制的難題，同時FOC在最高轉速下正反轉切換仍然能夠非常順暢，這些都是其他控制無法實現的獨特優勢。

而且雖然絕大多數應用用開環控制就能解決，但對于高性能的電機運控應用來說，閉環控制是必需的。FOC不僅提供了優良的速度、轉矩輸出性能，還解決了自然坐標系上實現電機速度、電流閉環負反饋控制難的問題。

無感FOC，現在越來越多BLDC驅控IC上都能看到它的身影。無感FOC即在不使用額外位置傳感器的情況下實現磁場定向控制。沒有了額外的傳感器，那么控制算法勢必會更加復雜，同時還需要引入前饋控制、觀測器等概念。目前常見的無感FOC會采用反電動勢觀測或者高頻注入來實現無感FOC。

二者各有利弊，各種反電動勢觀測魯棒性強，在電機中高速運行場景里很常見，能非常順暢地提供位置觀測。但電機轉速為零或較低的情況下反電動勢太微弱，觀測誤差會增加，大大削弱電機帶載能力。高頻注入現在應用得也越來越多，雖然高頻注入對電機的凸極效應要求非常高，但是高頻注入能帶載起動并突加負載運行。

小結

總的來看，BLDC的控制雖然在原理上和有刷電機相似，但實現起來卻要難的多，BLDC需要復雜的控制器才能將單個直流電源轉換為三相電壓，而有刷電機可以直接通過調節直流電壓來控制。而且FOC控制的鋪開，其高效率優勢對BLDC驅控硬件的性能要求提高了不少，成本上會高出不少，同時還需要電機參數相匹配。不過復雜的控制為電機應用帶來了更高的效率和更精準的控制。