【BLDC 基础知识】端电压，相电压，线电压别还傻傻分不清楚

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〇、简短不看版

这是一个非常专业且实际的问题，在无刷直流电机（BLDC）的控制和测量中，正确理解和使用这些电压概念至关重要。简单来说：

  • 端电压：主要用于硬件设计和安全裕度评估，确定功率器件（如MOSFET、IGBT）和电机绕组需要承受的最高电压。

  • 相电压：是电机运行的根本物理量，直接与反电动势和转矩生成相关，主要用于高级控制算法（如FOC）和性能分析。

  • 线电压：是最常用、最直接的测量对象，主要用于六步方波控制中的换相判断（检测反电动势过零点）和系统监控。

下面我们进行详细的分解说明。

一、前言

在教学过程中，发现有一些学员对端电压、相电压、线电压的概念比较模糊，所以这篇文章打算详细的介绍一下这三个概念，并用实际波形来给大家展示不同控制方式下的端电压、相电压、线电压的波形实际都是什么样的，以达到让大家对这几个概念不再模糊的目的。

下图一给出三相逆变桥跟三相永磁同步电机(解释方波控制波形时也等效为直流无刷电机)连接示意图，后面给出的概念，均参照该图中的标号定义。

图一：三相逆变桥与三相永磁同步电机连接示意图

 

二、端电压、相电压、线电压概念介绍

网络上，有很多资料对端电压跟相电压的概念描述很是模糊，甚至把端电压跟相电压的概念有时候都混为一谈，下面先给出三个电压的概念介绍，并以图片的形式表示出来，帮助大家加深印象。

2-1 端电压

端电压：在三相逆变桥与三相永磁同步电机连接示意图中，三相线(U,V,W)相对于参考点o所测量得到的电压称为端电压。

定义：指电机任意一相绕组的一端对电源地（GND）的电压。在典型的三相全桥驱动电路中，它就是在每个相位桥臂的中点（连接电机相线的地方）测量到的对地电压。

下图二中，Uao，Ubo，Uco就表示三相端电压。

图二：三相端电压测量示意图

什么时候用？

  1. 硬件设计与安全性检查：

    • 当你需要确定驱动电路中的功率开关管（MOSFET）需要承受多大的电压时，你需要关注端电压。在PWM开关过程中，端电压会在电源电压（如48V）和地之间剧烈摆动，开关管必须能承受这个电压。

    • 用于评估电机的绝缘性能，确保绕组对机壳（地）的绝缘能承受端电压的峰值。

  2. 观测PWM开关状态：

    • 通过示波器观察端电压的波形，可以非常直观地看到PWM信号是否正常、占空比是多少、死区时间设置是否合理等。它的波形是标准的方波。

特点：端电压是对地的、绝对的电压，其波形直接反映了逆变桥的开关状态。

 

2-2 相电压

相电压：在三相逆变桥与三相永磁同步电机连接示意图中，三相线(U,V,W)相对于电机星型连接点N所测量得到的电压称为相电压。

定义：指电机内部任意一相绕组两端的电压。这是一个理论上的理想值，代表了施加在电机绕组本身上的净电压。

下图三中，UaN，UbN，UcN就表示三相相电压。

图三：三相相电压测量示意图

 

但一般电机的星型连接点N都不会引出来，所以一般来说是无法直接测量得到相电压。如果想看相电压波形，可用远远大于电机相电阻的电阻模拟出星型连接点，测量三相线U，V，W相对于模拟星型连接点N1的电压，也可等效反映相电压。所以下图四为虚拟星型点测量等效相电压的示意图。

 

下图四中，UaN1，UbN1，UcN1就表示三相等效相电压。

 

图四：三相等效相电压测量示意图

什么时候用？

  1. 高级控制算法的核心（如FOC - 磁场定向控制）：

    • 在FOC中，控制器的数学模型是基于相电压和相电流的。算法需要精确的相电压值（或其估算值）来构建电机模型，实现解耦和高效控制。

    • 注意：在实际系统中，相电压通常无法直接测量（因为测量点就在电机内部的绕组上），而是通过测量得到的端电压和系统的开关状态计算出来的。例如，相电压A = 端电压A - 电机中性点电压。

  2. 电机性能分析与建模：

    • 当你需要分析电机的本质特性，如反电动势常数（Ke）、转矩常数（Kt）、电感、电阻时，相电压是最基本的物理量。电机的转矩直接由相电流产生，而相电压决定了相电流。

特点：相电压是相对的、电机内部的电压，是电机产生电磁转矩的“原动力”。

 

2-3 线电压

线电压：在三相逆变桥与三相永磁同步电机连接示意图中，三相线(U,V,W)取任意两根相线所测量得到的电压称为线电压。

定义：指任意两相相线之间的电压，例如U相和V相之间的电压。U_uv = U_u - U_v。

下图五中，Uab，Ubc，Uca就表示其中三路线电压。

 

图五：三相等效线电压测量示意图

什么时候用？

  1. 六步方波/梯形波控制中的换相信号检测（最经典的应用）：

    • 在无感六步方波控制中，我们需要检测反电动势的“过零点”来确定转子位置。由于电机的中性点通常没有引出，我们通过测量未通电相的端电压（对地），并巧妙地利用线电压的关系来间接得到反电动势过零点。

    • 具体方法：在某一时刻（例如AB相通电，C相悬空），我们测量悬空相（C相）的端电压，并将其与另外两相端电压的平均值（即虚拟中性点电压）进行比较。这个比较的差值，正比于悬空相的反电动势。当差值为零时，即为反电动势过零点。这个过程本质上就是在利用线电压的关系。

  2. 系统功率计算与监控：

    • 在三相系统中，总功率可以通过测量三相的线电压和线电流来计算。这对于监控电机的输入功率和效率非常有用。

  3. 电压有效值/峰值监控：

    • 用于监控母线电压的波动，或者确保施加在电机上的电压不会超过其额定值，防止电机过热或退磁。

特点：线电压是相与相之间的电压，是最容易直接测量的交流电压量，在BLDC控制中扮演着关键的“传感器”角色。

 

 

三、不同控制方式下测量的端电压、线电压、相电压波形

 

1. 方波控制时，测量的端电压波形、线电压波形、相电压波形

图六：方波控制端电压及线电压波形测量图

 

从波形上看，滤波前，因为开关管是PWM控制的，所以端电压波形、相电压跟线电压波形中含有开关斩波，滤波后，可以看到端电压是梯形波，而滤波后的线电压也是梯形波

 

因为测量电路没有加滤波电路，所以这里仅展示滤波前相电压波形。

 

2. SPWM控制时，测量的端电压波形、线电压波形

图八：SPWM控制线电压波形测量图

 

SPWM控制中，从测量波形上看，端电压及线电压也含有开关斩波，通过展开波形观察，端电压波形中是脉冲宽度逐渐变化的脉冲波，而滤波后的端电压跟线电压均是正弦波，又因为相电压跟线电压只是有幅值上的差异，所以也可以得出SPWM控制的相电压也是正弦波。

 

因此，SPWM控制中，端电压、相电压、线电压均是正弦波，但是观察到这些波形需要对原始测量波形进行低通滤波。

 

3. SVPWM控制时，测量的端电压波形、线电压波形

 

图九：svpwm控制端电压及线电压波形测量图

 

SVPWM控制中，从测量波形上看，端电压及线电压也含有开关斩波，而滤波后的端电压是马鞍波，线电压是正弦波，又因为相电压跟线电压只是有幅值上的差异，所以也可以得出SVPWM控制的相电压也是正弦波。

因此，SVPWM控制中，端电压是马鞍波、相电压、线电压均是正弦波，但是观察到这些波形需要对原始测量波形进行低通滤波。

当然，这些波形的关系，也可以通过相关的数学推导得出，有志者可以自行推导，也可以关注张飞实战电子FOC电机驱动线上班，课程中会有详细讲解。

 

四、总结

本篇文章，通过对端电压、相电压、线电压三个概念的介绍，力求让大家对这三个概念别再混淆不清。而且也有很多工程师对不同控制方式下的端电压、相电压、线电压波形不是很清楚，本文也通过实际的波形测试，为大家展示了三者各自对应的波形示意图。

希望各位读者阅读完这篇文章后，以后再碰到类似问题，能够轻松的说出这些波形的测试方式以及对应的波形形状。

总结对比表

电压类型 定义 测量难度 主要应用场景 关键点
端电压 相线对电源地的电压 容易（直接测量） 1. 硬件电路设计/开关管选型
2. PWM波形调试与观测		 反映开关状态，是绝对电压
相电压 电机一相绕组两端的电压 困难/计算得出 1. 高级控制算法（如FOC）的核心
2. 电机本质特性分析与建模		 电机运行的根本物理量，与转矩直接相关
线电压 两相相线之间的电压 容易（直接测量） 1. 六步方波控制换相（反电动势过零点检测）
2. 系统功率计算与监控
posted @ 2025-10-14 16:26  FBshark  阅读(33)  评论(0)    收藏  举报