【电机应用控制】——直流无刷电机&驱动原理&有感闭环控制&无感闭环控制
直流无刷电机（BLDC）是无电刷和换向器的电机，其转子与定子反过来看作有刷电机。其核心参数包括极对数、KV值、额定转速和转矩。BLDC的应用场景广泛，如电动车、无人机等。驱动原理中，内转子式BLDC通过三相逆变电路和PWM控制实现驱动，有感控制通过霍尔传感器读取转子位置，无感控制则通过过零信号判断转子位置。有感速度闭环控制利用反电动势和PID算法实现速度控制，无感速度闭环控制通过过零信号和PID算法实现速度控制。
目录
前言
一、概述
二、驱动原理
编辑
三、（有感）速度闭环控制
四、无感控制（无位置传感器）
四、（无感）速度闭环控制
总结
前言
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一、概述
简介：
BLDC电机是一种无电刷和换向器设计的直流电机，亦称无换向器电机。与有刷直流电机相比，BLDC电机的最大区别在于完全 absence of电刷和换向器。其独特的结构特征在于转子与定子的布置实现了位置互换。如图所示，BLDC电机的定子结构在左图中为绕线式，而传统有刷电机的定子结构则采用永磁体设计。
其运转过程类似于机电传动控制课程中所讲述的异步电机运行机制，其运动轨迹则由永磁铁转子沿着定子磁场位置不断变化而被"跟随"。
分类：
主要参数：
极对数（P）：转子磁铁的NS级极对数，此参数与电机旋转速度相关：电子速度（n_e）= 电机实际转速（n_r）×极对数（P）。
KV值：值越大电机转速越大。电机转速 = KV值*工作电压
额定转速：额定的电流下的空载转速，通常单位用RPM表示
转矩：电机中转子产生的可以带动机械负载的驱动力矩。通常单位为：N-M
应用场景：（前途无量）
无刷电机的应用场景很广泛，如电动车、无人机、风扇、鼓风机、抽油烟机等等。
二、驱动原理
内转子式BLDC为例：
引脚：
原理分析：
内转子式BLDC经简化处理后，其工作原理如下。控制电路中，u、w、v三相电流可正可负，通过两两组合导通，形成六种不同的组合方式，也被称为六步换相控制。
如何实现三相极性切换？
通过三相逆变电路来实现极性更换。采用三个半桥电路和高功率MOS管进行开关动作。
上面的方式是通过将电源加载到线圈上进行操作，会导致电机转速迅速提升到很高的水平。因此，通常采用PWM 来替代高低电平，这样可以更灵活地控制线圈电流，从而实现对转子扭矩和转速的有效调节。
采用PWM调制的方法实现直流无刷电机的控制，如上右图所示，实验中采用的是第四种H_{\text{PWM}} - L_{\text{ON}}控制方案：上桥臂端子采用PWM调制，下桥臂端子采用高低电平直接控制，电机转速主要由上桥臂端子的PWM占空比决定。
如何确定当前转子的位置在哪？
带有位置反馈的传感器系统，其数据采集依赖霍尔式位置检测传感器；无传感器系统，其数据采集依赖反电动势信号。这里仅介绍有感控制，无感控制将在后续章节详细讲解！
霍尔传感器检测：
霍尔与绕组得电情况真值表，不同厂家不同，不需要记忆！
驱动板介绍：
该系统集成多种保护功能，包括三相逆变电路、三相电流采样、电源电压采样、温度检测、霍尔、编码器及过零检测信号，同时具备过流保护电路等完善的安全保障措施。
有感驱动配置流程：
初始化相关IO和TIM。初始化定时器和相关IO，设置6条通道，其中3条上桥臂和3条下桥臂，最后设置中断服务。
霍尔传感器的状态读取。实现霍尔传感器状态读取的函数。
③六步组合。上下桥臂的导通情况，共6种，也称为6步换向。
④设置无刷参数。设置旋转方向以及脉冲占空比，并编写无刷启停函数。
中断服务函数在内部读取霍尔状态，基于方向和霍尔状态逐步导通上下桥臂。
模拟量采集配置流程：
①电机基本驱动。实现电机的基础驱动函数，启停、6步换向组合等等。
②初始化ADC&DMA。使用DMA进行ADC的数据传输，减少CPU的使用率。
③采集函数。编写数据采集函数。
④中断服务函数。在电机未启动旋转时的基准电压采集装置，通过测量旋转后的电压值与基准电压值的差值来计算实际电压。
三、（有感）速度闭环控制
有感测速原理：
第一步：可以观察到，当单级对旋转一周时，霍尔元件输出一个完整的N-S脉冲。
在第二步中，我们计算高电平的持续时间，即，其中，t代表高电平持续时间，计算公式为t = C / Ft，其中Ft是计数频率，C为计数次数。
第三步：所以旋转一圈，需要的总时间为T = 2*C/Ft
所得出的结果就为：s/圈 ，倒数就为：圈/s ，转化为RPM即：Ft/（2*C） *60 即可
当转子为2对级时，速度公式为：Ft/(4*C)*60
有感速度闭环控制配置：
①电机基本驱动：实现电机的基础驱动函数，启停、6步换向组合等等。
PID算法体系：采用PID算法（增量式/位置式）的形式。
③速度控制：编写速度控制代码。
上位机通信：开发上位机通信功能模块，能在上位机界面动态呈现当前速度与目标速度的波形变化。
⑤中断服务函数：在中断里边计算电机速度，调用PID算法实现PID控制。
以上说的是有霍尔传感器的有感控制，下面介绍下无感控制！
四、无感控制（无位置传感器）
简介：
无感控制无需位置传感器模块（霍尔或光电）即可实现对无刷电机的驱动。仅限于黄绿蓝三根粗线段（U、V、W），无另外五根与传感器相关的细线段。因而，缺乏位置传感器的无感控制使得电机体积得以显著缩小。
有感驱动：基于霍尔信号的组合进行判断转子当前位置；无感驱动：利用过零信号的组合进行判断转子当前位置。
控制原理：
在换相操作过程中，当定子绕组进行换相时，磁场方向持续变化，导致永磁铁转子开始旋转。根据楞次定律，这种变化会产生反电动势。
过零点即为反电势由正变负或由负变正的转折点。在反电动势曲线中，过零点均位于未送电的一相。
在电机一个电周期的旋转过程中，电流和反电动势的波形图示如下：其中实线代表电流，虚线代表反电动势，红点标注过零点位置。
分析：
注意：1、多个过零信号的组合能够精确确定转子位置；2、过零点出现在换相操作提前30度的时刻。（参考左图理解操作流程）
结论：
过零信号组合对应的绕组导通真值表：
无感驱动整体框图：
利用过零点信号的综合分析，识别转子位置信息，进而控制逆变器功率器件的开/关动作，以实现绕组的换相过程。
过零电路解析：
当相电压过高时，采用电阻分压网络进行分压（左图最右侧）；运算放大器不仅隔离了输入和输出信号，还增强了信号的驱动能力（中）；在7脚处接入了RC低通滤波电路，以有效去除信号线上的高频干扰（中）；其中，BEMF_M被视为虚拟中性点，右图是该电路的核心组成部分，若BEMF_U（V或W）电压高于中性点BEMF_M，则输出1，反之输出0；通过ZERO_U（V、W）过零信号的组合，可以精确判断转子的当前位置。
在输出三个过零信号后，到达上图左侧的复用芯片，通过右下角的跳线帽可以选择连接霍尔信号或过零信号，随后右侧端子用于连接电机开发板。类似于有感控制，仅使用H和Z引脚（V、W）进行供电，其中H或Z引脚的选取由左侧复用芯片决定。
无感驱动配置流程：
①电机基本驱动：实现电机的基础驱动函数，启停、6步换向组合等等。
②定位：固定转子在某一位置，然后以一定的速度按顺序换向旋转。
③检测过零信号：当稳定检查到过零信号时，进入过零控制。
过零信号处理流程：去除异常尖峰电压，检测过零信号的变化情况，记录延迟时间，当延迟达到30°时，启动换相过程。
⑤中断服务函数：定时调用过零控制函数
四、（无感）速度闭环控制
无感测速原理：
可以观察到，当系统处于单一级状态时，旋转一圈的过零信号会导致输出一个完整脉冲，其中包含一个高电平和一个低电平。
计算高电平的持续时间，其中，t = C / Ft（其中，Ft表示过零信号的计数频率，C为计数次数。
③所以旋转一圈，需要的总时间为T = 2*C/Ft。
结论为：s/圈，倒数即为：圈/秒，转速（RPM）为Ft/(2C)×60。当转子为2对级时，转速公式为：Ft/(4C)×60。
无感速度闭环控制配置：
①电机基本驱动：实现电机的基础驱动函数，启停、6步换向组合、过零控制等等。
②PID控制：实现PID算法。
上位机通信：开发上位机通信模块，通过上位机实时显示当前速度与目标速度的变化情况。
④中断服务函数：计算电机速度，调用PID算法实现PID控制。
总结
在遭遇挫折时，要有坚定的信念，积极行动，坚持不懈，永不放弃。成功者往往源于永不放弃的精神；而放弃努力的人，终将一无是处。成功之路并非没有挑战，失败是成功路上的必经之路。只有正确对待失败，才能从中吸取教训，走向成功。那些害怕失败的人，往往无法真正成功，因为他们无法从失败中吸取教训，反而会更加失败。
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