电机控制笔记：BLDC控制原理

目录

• 基本概念
  • BLDC重要参数
    • 额定电压
    • KV值
    • 转矩与转速
    • 最大电流和最大功率
    • 槽极结构（N：槽数，P：极数）
    • 其他设计驱动需要的参数
• BLDC工作原理
  • 安培定则（右手螺旋定则）
  • 直流通电线圈模型
  • 三相星形联结模型
  • 六步换向
• BLDC驱动电路
  • 控制原理设计、分析
  • Hall传感器模式
  • 驱动电路设计、分析
    • 输入信号隔离电路
    • 3相桥驱动电路
    • 3相电压采集
    • 3相电流采样电路
    • 电源电压检测
    • 过流保护
• 速度控制原理
  • 数学模型
  • PWM调制方式
• 参考

基本概念

BLDCM（Brushless Direct Current Motor）指无刷直流电机，常简称BLDC. 无刷电机是指无电刷和换向器（或集电环）的电机，又称无换向器电机. 无刷直流电机不使用机械电刷（有刷电机），而使用方波自控式永磁同步电机.

BLDC使用电枢绕组作为定子，使用钕铁硼的永磁材料作为转子，以霍尔传感器取代碳刷换向器，性能比一般的传统直流电机有很大优势.

无刷交流电机（BLACM，通常简称BLAC）是使用正弦波控制的永磁同步电机.

PMSM包括BLDCM、BLACM，但通常仅指BLACM.

BLDC重要参数

以野火BLDC（型号57BL75S10-230TF9，以下简称57BL75S10）为例：

额定电压

无刷电机适合的工作电压，通常非常广泛. 额定电压是指定了负载条件而得出的情况，即由工作环境决定.

e.g. 2212-850KV电机指定了1045 螺旋桨的负载，其额定工作电压就是11V；如果减小负载，如带7040 螺旋桨，那么该电机可在22V电压下工作.

57BL75S10的额定电压24V（无负载）

KV值

有刷直流电机根据额定工作电压来标注额定转速的，BLDC引入了KV值概念，用户可直观知道BLDC在具体的工作电压下的具体转速.

\[实际转速=KV值 * 工作电压 \]

物理意义：在1V工作电压下，每分钟转速.

e.g. 2212-850KV 电机在10V 电压下的转速: 850*10=8500RPM(RPM，每分钟转速).

\(KV值∝1/匝数\)

2212-850KV匝数30T（15圈），那么在28T的情况下的KV值：850KV*30T/28T=910KV

转矩与转速

转矩: (力矩、扭矩）电机中转子产生，可用来带动机械负载的驱动力矩，可理解为电机的力量. 单位：\(N·m\)

转矩计算通用公式：

\[M=F\cdot r \]

其中，M代表转矩，F代表作用力，r代表力臂长度，即从旋转轴（支点）到力的作用点的垂直距离.

转速: 电机每分钟的转速，单位：\(r/min（rpm）\)

转矩和转速的乘积是一个定数（功率一定情况下）：

\[P = M × ω \]

最大电流和最大功率

• 最大功率有以下几个含义：

额定功率 (Rated Power) ，通常意义的最大攻功率：指电机在额定电压、额定频率、额定冷却条件下，能够长期、连续、稳定输出而不会过热损坏的最大功率.

最大瞬时功率（Overload Power），也叫过载功率：指电机在短时间内（如几分钟、甚至几秒钟）能够输出的、超过额定功率的功率. 不能长时间运行，通常只能维持数十秒.

如果工作超过最大功率，可能导致电机高温烧毁.

峰值功率 (Peak Power)：电机在极短时间内（通常以s, ms计）能够爆发出的绝对最大功率. 这是电机电磁设计和散热设计的极限，通常只能维持几秒.

常见于伺服电机和电动汽车驱动电机

• 最大电流有以下几个含义：

额定电流(Rated Current): 指在额定工作条件（额定电压、额定频率、额定负载、额定冷却）下，能够长期、连续、安全运行而不会损坏、衰退的最大电流值.

过载电流(Overload Current)：短期允许的“最大”电流

峰值电流 (Peak Current)：绝对“最大”电流

槽极结构（N：槽数，P：极数）

铁芯极数（槽数N)∶ 定子硅钢片的槽数量；

磁钢极数（极数P，即极对数)∶ 转子上磁钢的数量

模型常见的内转子无刷电机结构: 3N2P(有感电机常用)、12N4P(大部分内转子电机)

模型常见的外转子无刷电机结构:9N6P、9N12P、12N8P、12N10P、12N14P、18N16P、24N20P

用内转子无刷电机极数不高的原因：内转子电机多用于减速使用，所以要求的转速都比较高

\[电子转速= 实际转速* 电机极对数 \]

电子控制器支持的最高电子转速通常是常数，所以如果极对数太高的话，支持的最高电机转速就会下降，所以目前的内转子电机极数都是4以内.

其他设计驱动需要的参数

定子电感：电动机静止时，定子绕组两端的电感；

定子电阻：在20℃ 下，电动机每相绕组的直流电阻；

反电动势系数：在规定条件下，电动机绕组开路时，单位转速在电枢绕组中所产生的线感应电动势值

BLDC工作原理

安培定则（右手螺旋定则）

安培定则，也叫右手螺旋定则，表示电流和电流激发磁场的磁感线方向间关系的定则.

通电直导线中的安培定则（安培定则一）：用右手握住通电直导线，让大拇指指向电流的方向，那么四指指向就是磁感线的环绕方向

通电螺线管中的安培定则（安培定则二）：用右手握住通电螺线管，让四指指向电流的方向，那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的N 极.

安培定责二，如下图：

对于磁极，同性相斥，异性相吸，即N极与S极相互吸引，N极与N极相互排斥，S极与S极相互排斥.

直流通电线圈模型

下图是直流通电线圈与磁极的模型：

通电线圈产生的磁场方向，磁极运动方向如下图

下图是最终运行到的稳态，此时，转子不会受到垂直方向的力，但如果有转速的话，会保持惯性继续运动，从而受到垂直方向的力

三相星形联结模型

下图中，A、B、C 3个线圈是定子，中间包含N-S极的磁体是转子：

A端接电源+，B端接电源-，那么线圈可以产生如上图所示磁场：A线圈产生磁场\(B_A\)，B线圈产生磁场\(B_B\)，2个磁场矢量合成磁场\(B\). 此时，磁体可保持上图中的方向，即稳态.

六步换向

如果想要三相星形联结模型中的转子转动起来，就需要研究下图6个过程.

以磁极顺时针旋转为例，

1. A接入电源+，B接入电源-，C悬空，转子会旋转至图①位置；
2. 在①基础上，C接入+，B接入-，A悬空，转子将从①位置旋转至图②位置；
3. 在②基础上，C接入+，A接入-，B悬空，转至将从②位置旋转至图③位置；
4. 在③基础上，B接入+，A接入-，C悬空，转子将从③位置旋转至图④位置；
5. 在④基础上，B接入+，C接入-，A悬空，转子将从④位置旋转至图⑤位置；
6. 在⑤基础上，A接入+，C接入-，B悬空，转子将从⑤位置旋转至图⑥位置.

转子旋转至⑥位置后，再重复①的供电状态，转子将从⑥位置旋转至①位置，从而重复上面的过程. 经过这6个过程，转子刚好旋转一周，我们称这种驱动方法为6拍工作方式，每次电压变化称为换相，因此，这种方法也称为六步换相法. 按上面转子状态持续给电压，就能让电机持续旋转.

综上，顺时针旋转情况下，相线圈依次接通顺序为：

\((A+,B-,C×)\to (A×,B-,C+)\to (A-,B×,C+)\to (A-,B+,C×)\to (A×,B+,C-)\to (A+,B×,C-)\)

其中，\(+\) 代表接通电源+极；\(-\) 代表接通电源-极；\(×\)代表悬空.

同理，逆时针旋转情况下，相线圈依次接通顺序为（顺时针情况的反过程）：

\((A+,B-,C×)\leftarrow (A×,B-,C+)\leftarrow (A-,B×,C+)\leftarrow (A-,B+,C×)\leftarrow (A×,B+,C-)\leftarrow (A+,B×,C-)\)

BLDC驱动电路

控制原理设计、分析

可设计如下电路，用MCU控制6个MOS管（功率管，即Q1，Q2，Q3，Q4，Q5，Q6），根据转子状态切换线圈的供电. 该电路称为三相六臂全桥驱动电路.

原理图：

三相与六桥臂关系：

• U相上桥臂由Q1控制，下桥臂由Q2控制
• V相上桥臂由Q3控制，下桥臂由Q4控制
• W相上桥臂由Q5控制，下桥臂由Q6控制

因为MCU引脚驱动能力不足，所以需要MCU控制专用IC驱动MOS管. 如野火电机驱动板使用专用IC IR2110STRPBF ，MOS管 IPD082N10N3G （参见ebf_brushless motordriver_20201020_原理图.pdf）

当Q1Q4导通（其他都不导通）时，那么电流将从Q1流经U相绕组，再从V相绕组流到Q4，完成六步换相中第1步；
同理，依次导通Q5Q4，Q5Q2，Q3Q2，Q3Q6，Q1Q6，就能完成六步换相中第2，3，4，5，6步.

综上，顺时针旋转时，MOS导通顺序：

\[Q1Q4\to Q5Q4\to Q5Q2\to Q3Q2\to Q3Q6\to Q1Q6 \]

逆时针旋转时，MOS管导通顺序：

\[Q1Q4\leftarrow Q5Q4\leftarrow Q5Q2\leftarrow Q3Q2\leftarrow Q3Q6\leftarrow Q1Q6 \]

有一个问题：我们如何知道上一步导通的是哪2个MOS管？第一步中MOS管导通时转子位置是我们人为规定的，但实际我们并不知道转子在哪里. 所以我们如何知道启动时，转子位置呢？

六步换相中，我们不需要知道转子的连续位置，只需要知道转子换相点的位置.

获取转子位置，通常有两种方法：
1）用传感器，例如Hall传感器；
2）不用传感器，例如无位置传感器控制.

Hall传感器模式

Hall传感器（霍尔传感器，以下简称Hall）是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器.

霍尔效应：当电流垂直于外磁场通过半导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在半导体的两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应，这个电势差也被称为霍尔电势差.

在BLDC中，一般采用3个开关型Hall测量转子的位置，由其输出的3位二进制编码控制6个MOS管的导通实现换相. 通常，将3个Hall按间隔120°或60°的圆周分布来安装.

1）当N极逐渐靠近Hall即磁感应强度达到一定值时，其输出是导通状态

如下图，转子顺时针旋转时，Hall磁环中NS极中点P1经过b相线圈，b对应Hall输出高电平（逻辑1）

其中，\(P_1,P_2\)分别是磁环的2个\(S, N\)极交界点

2）当N极逐渐离开Hall、磁感应强度逐渐小时，其输出仍然保持导通状态；只有磁场转变为S 极便达到一定值时，其输出才翻转为截止状态.

如下图，转至逆时针旋转时，Hall磁环中NS极中点P1经过b线圈，b对应Hall输出低电平（逻辑0）

其中，\(P_1,P_2\)分别是磁环的2个\(S, N\)极交界点

在S, N极交替变化下传感器输出波形占高、低电平各占50%（转速稳定）. 如果转子是一对极，则电机旋转一周Hall输出一个周期的电压波形；如果转子是两对极，则输出两个周期的波形.

如果3个Hall（a、b、c）按间隔120°来安装，那么3个Hall输出信号分别表示为Ha、Hb、Hc，其波形相位差120°. 对于任一Hall输出信号，其高电平、低电平各占180°. 如果高电平用“1”表示，低电平用“0”表示，那么输出的3个Hall信号可以用3bit的二进制位编码表示，如下图：

在一个周期内，Ha Hb Hc的组合值分别为（6个）：101, 100, 110, 010, 011, 001. 为方便描述（与其他文档保持一致），我们将001放在第一个位置，其他后移. 于是，HaHbHc组合值变成：001, 101, 100, 110, 010, 011.

如何根据Hall信号判断旋转方向？

我们研究磁环\(SN\)极交界点（\(P1P2\)）经过线圈对应的Hall信号值的先后顺序，从而判断磁环（转子）的旋转方向.

• 逆时针旋转时，\(P2\)先经过a，旋转120°后，再经过b；再旋转120°后，经过c. 于是，我们说Ha超前Hb \(2π/3\)（即120°），Hb超前Hc 120°，Hc超前Ha 120°（或Ha滞后Hc 240°）. 此时，\(P2\)经过Hall的顺序：\(a\to b\to c\to a\to ...\)（重复）. 与上图Ha, Hb, Hc时序一致.

• 顺时针旋转时，\(P1\)先经过a，旋转120°后，再经过c；再旋转120°后，经过b. 于是，我们说Ha超前Hc 120°，Hc超前Hb120°（或Ha滞后Hb 240°）. 此时，\(P1\)经过Hall的顺序：\(a\to c\to b\to a\to ...\)（重复）. 与上图Ha，Hb，Hc时序不一致.

转子逆时针旋转一周，a、b、c 3个Hall输出6个不同值组合，每种HaHbHc二进制值组合称为霍尔编码，每个霍尔编码决定了一种转子位置，即六步换相中的某一相. 每个霍尔编码占60°相位角.

逆时针旋转，霍尔编码(HaHbHc)序列：001->101->100->110->010->011；
顺时针旋转，霍尔编码(HaHbHc)序列：001->011->010->110->100->101.

于是，我们可以根据霍尔编码序列，求出电机旋转方向.

而我们根据霍尔编码导通MOS管，就能控制电机持续旋转. 于是，我们建立电机的真值表（电机厂家通常会给出）. BLDC电机有2个真值表，分别对应逆时针旋转、顺时针旋转.

电机真值表与Hall和U、V、W相线圈的相对位置有关. 为方便描述，本文从位置上规定：Hall a,b,c分别安装在V相、W相、U相. 于是，用符号可描述为：

\[\begin{aligned} Hall\ A &\iff A相线圈 = A = V相，\\ Hall\ B &\iff B相线圈 = B = W相，\\ Hall\ C &\iff C相线圈 = C = U相 \end{aligned} \]

逆时针旋转电机真值表：

阶段(Step)	Ha	Hb	Hc	A (V相)	B (W相)	C (U相)	U	V	W	导通的功率管
1	0	0	1	×	-	+	+	×	-	Q1Q6导通
2	1	0	1	+	-	×	×	+	-	Q3Q6导通
3	1	0	0	+	×	-	-	+	×	Q3Q2导通
4	1	1	0	×	+	-	-	×	+	Q5Q2导通
5	0	1	0	-	+	×	×	-	+	Q5Q4导通
6	0	1	1	-	×	+	+	-	×	Q1Q4导通

其中，\(+\) 代表接通电源+；\(-\)代表接通电源-；\(×\)代表悬空. 例如，\((A,B,C)=(+,-,×)\)时，A对应相的上管导通，B对应相的下管导通，C对应相的上下管截止，其他MOS管截止.

注意：

1）这里step只是自定义表格编号，与程序没有关联.
2）霍尔编码与UVW的真值表与其安装位置强相关，一定不能生搬硬套！实际编程，为简洁起见，可直接参照电机厂家给定真值表.

真值表解析：

Hall信号\(0\to 1\)，代表Hall经过磁环\(S\to N\)极，对应相线圈接通+；信号\(1\to 0\)，代表Hall经过磁环\(N\to S\)极，对应相线圈接通-.

反过来，当相线圈接通+，如果上一步Hall信号为0，那么当前步Hall信号为1；当相线圈接通-，如果上一步Hall信号为1，那么当前步Hall信号为0.

也就是说，Hall信号为1时，对应相线圈只能是"+"或"×"状态；Hall信号为0时，对应相线圈只能是"-"或者"×"状态.

• step1，从step=6到1，\(HaHbHc: 011\to 001\)，即\(Hb: 1\to 0\)，表示\(Hall\ B: N\to S\) 此时，B相接通-，A=×，C接通+；
• step2，从step=1到2，\(HaHbHc: 001\to 101\)，即\(Ha: 0\to 1\)，表示\(Hall\ A: S\to N\). 此时，A相接通+. 谁接通-？只能是B，因为\(Hc=1\)，所以C不可能接通-，C=×，所以B接通-；
• step3，从step=2到3，\(HaHbHc: 101\to 100\)，即\(Hc: 1\to 0\)，表示\(Hall\ C: N\to S\). 此时，C相接通-. 谁接通+？只能是A，因为\(Hb=0\)，所以B不可能接通+，B=×；
• step4，从step=3到4，\(HaHbHc: 100\to 110\)，即\(Hb: 0\to 1\)，表示\(Hall\ B: S\to N\). 此时，B相接通+，A=×，C接通-；
• step5，从step=4到5，\(HaHbHc: 110\to 010\)，即\(Ha: 1\to 0\)，表示\(Hall\ A: N\to S\). 此时，A相接通-，B接通+，C=×；
• step6， 从step=5到6，\(HaHbHc: 010\to 011\)，即\(Hc: 0\to 1\)，表示\(Hall\ C: S\to N\). 此时，C相接通+，A接通-，B=×，；

因此，逆时针旋转时，step变化：\(1\to 2\to 3\to 4\to 5\to 6\)，霍尔编码（HaHbHc）变化：\(001\to 101 \to 100 \to 110 \to 010 \to 011\)

注意：

1. 六步换相法中，每个阶段有且仅有一个上桥臂和一个下桥臂同时导通，且同一组上下桥臂（Q1Q2,Q3Q4,Q5Q6）无法同时导通，否则电源短路.

如何得到转子顺时针旋转的真值表？

根据六步换相小节分析可知，需要在逆时针旋转基础上，将接通相电压的顺序反过来.

于是，可以得到，

顺时针旋转电机真值表：

阶段(Step)	Ha	Hb	Hc	A (V相)	B (W相)	C (U相)	U	V	W	导通的功率管
1	0	0	1	×	+	-	-	×	+	Q5Q2导通
2	1	0	1	-	+	×	×	-	+	Q5Q4导通
3	1	0	0	-	×	+	+	-	×	Q1Q4导通
4	1	1	0	×	-	+	+	×	-	Q1Q6导通
5	0	1	0	+	-	×	×	+	-	Q3Q6导通
6	0	1	1	+	×	-	-	+	×	Q3Q2导通

注意两种特殊情况，需要避免：

1）当按真值表霍尔编码导通MOS管后，如果保持导通状态不变，电机就会旋转到对应位置不变，此时电路电能只能转换为热能，不能转换为机械能（动能），而电机绕组是铜线，内阻很小，电流就会非常大，这将会产生大量的热，从而导致电源或电机损坏；

2）三相六臂全桥驱动电路原理图，如果同时导通同一组上下桥臂，如Q1Q2，Q3Q4，或者Q5Q6，就会导致电机被短路，MOS管直接接通电源，从而烧毁电源或MOS管.

看实际案例. 下表是BLDC厂家给出的57BL75S10-230TF9真值表：

其中，相线输出中，\(×\) 代表悬空，\(1\) 代表接通电源+，\(0\) 代表接通-.

为什么电机厂家提供的真值表跟我们上面推导的不一样？

仔细看电机规格书，可以发现，U、V、W三相绕组的接法跟我们前面原理图不同. 我们前面原理图UVW三相接线顺序：a(V), b(W), c(U)，而电机厂家UVW三相接线顺序：U、V、W. 另外，还有Hall安装位置未明确. 因此，真值表肯定不同.

驱动电路设计、分析

下面以野火的无刷直流电机驱动板为例，进行分析. 如果电路不同，可不必参考.

参考电路图：ebf_brushless motordriver_20201020_原理图.pdf.

驱动电路主要包括：电源电路，电源检测电路，输入信号隔离电路，3个相桥（U相桥、V相桥、W相桥）电路，相电流采集电路，传感器电路（编码器/Hall传感器）

输入信号隔离电路

MCU对BDLC驱动电路的输入信号主要包括：3相PWM信号（U相、V相、W相）、SD信号.

PWM控制信号使用高速光电耦合器TLP2362 进行了隔离，SD信号（IC使能）使用光电耦合EL357N 光耦进行了隔离.

• Motor_U+, Motor_U-: MCU输出，用于控制电机U相桥
• Motor_V+, Motor_V-: MCU输出，用于控制电机V相桥
• Motor_W+, Motor_W-: MCU输出，用于控制电机W相桥
• Motor_SD_A：MCU输出，与Motor_SD_B一起，共同控制SD信号Motor_SD_IN
• Motor_SD_B：相电流过流保护电路输出信号，与Motor_SD_A一起，控制驱动IC IR2110STRPBF的SD使能引脚. 只有Motor_SD_A，Motor_SD_B都是高电平时，驱动IC才不会被被关断.

3相桥驱动电路

以U相桥为例，如下图，MCU控制IC IR2110STRPBF驱动MOS管Q1、Q3.

MCU输入端：

• Motor_U+_IN：高边（HO）逻辑输入，控制HO输出
• Motor_U-_IN：低边（LO）逻辑输入，控制LO输出
• Motor_SD_IN：IC使能引脚，高电平有效，触发HO、LO输出电平
• HO：控制MOS管Q1导通 or 截止
• LO：控制MOS管Q2导通 or 截止
• Motor_U：连接电机U相绕组，用于驱动电机旋转
• Current_U：用于检测反馈电流，电压值为采集电阻R38(0.02R/2W)两端电压

3相电压采集

3相桥电路中，Motor_U是U相电压，MCU如何得知每一相的相电压呢？

可利用相电压采集电路，ADC采集. 以U相电压为例，

\[Motor\_EMFU=\frac{1K}{18K+18K+1K}Motor\_U=\frac{1}{37}Motor\_U\\ \implies Motor\_U=37*Motor\_EMFU \]

电机在旋转时，可能会产生一些尖峰电压，因此MCU并不能直接采集. 我们用AMC1311DWVR实现高精度的模拟信号采集和电气隔离.

其中，运放放大倍数为8

于是，可得，（详细推导过程，可参见下文3相电流采样）

\[V_o=8V_i+1.24V,V_i=Motor\_EMFU,V_o=Motor\_EMFU\_ADC \\ \implies V_i=\frac{1}{8}V_o-1.24\\ Motor\_EMFU=\frac{1}{8}Motor\_EMFU\_ADC-1.24\\ \implies Motor\_U=37*Motor\_EMFU=37*(\frac{1}{8}Motor\_EMFU\_ADC-1.24) [V] \]

问题：为什么不用相电压，计算相电流？

因为相电压不仅转化为电能，还有一部分转换为转化为动能，不能对相电压简单应用欧姆定律求相电流. 而采样电流，采集的是采样电阻的两端电压，采样电阻是纯电阻，符合欧姆定律.

3相电流采样电路

在3相桥电路中，我们看到了相电流采集端口Current_U. 这里，相电流采集采用三电阻法.

参见电机控制笔记：理解直流无刷电机矢量控制 三电阻法

以U相电流检测为例，采样电阻0.02Ω、2W，电流信号I_U转换成了电压信号Current_U，再经过放大8倍后差分输出，使用普通运放将差分输出转换成单端输出给STM32 ADC采样通道Motor_IU_ADC.

分析上图运算放大器，这是负反馈电路，根据虚短、虚断，知\(U_p=U_n\)，p、n点之间无电流到运放6、5引脚，于是，由欧姆定律，

\[\frac{U_6-U_p}{R_{51}}=\frac{U_p-U_o}{R_{52}}\\ \frac{U_7-U_n}{R_{52}}=\frac{U_n-U_{1.24}}{R_{53}} \]

R61与后面滤波电容C23组成RC滤波电路，而R61流过电流很小，压降很小，所以可认为\(V_o=V_{current\_adc}\)

将上面2个式子化简，

\[U_p=\frac{R_{52}*U_6+V_o*R_{51}}{R_{50}+R_{52}} \\ U_n=\frac{R_{53}*U_7+R_{50}*U_{1.24}}{R_{50}+R_{53}} \]

\[∵U_p=U_n, R_{50}=R_{51}=R_{52}=R_{53}=10KΩ \\ ∴\frac{R_{52}*U_6+V_o*R_{51}}{R_{50}+R_{52}}=\frac{R_{53}*U_7+R_{50}*U_{1.24}}{R_{50}+R_{53}} \\ ∴V_o=U_7-U_6+U_{1.24} \]

∵隔离运放将\(V_i=V_{inp}-V_{inn}=Current\_U\)（即上图Current）放大8倍后输出

∴\(U_7-U_6 = 8 * V_i\)

∴\(V_o=8*V_i + U_{1.24} = 8*V_i+1.24V=V_{current\_adc}\)

∴U相采样电压：\(Current\_U=\frac{1}{8}(V_{current\_adc}-1.24)[V]\)

∴U相采样电流（采样电阻0.02Ω,2W）：\(I_U=Current\_U/0.02Ω\)

电源电压检测

电源电源采集电路，用AMC1311DWVR对ADC采样电路进行隔离，运放GS8552-SR放大倍数是8.

同3相电流采样计算，

有，

\[V_o=8*V_{in}+1.24,V_{in}=POWER,V_o=Motor\_VBUS\_ADC\\ ∴V_{in}=\frac{1}{8}(V_o-1.24)\\ POWER=\frac{1}{8}(Motor\_VBUS\_ADC-1.24)[V] \]

过流保护

使用电压比较器LMV331SE 实现10A相电流的过流保护. 下面看如何实现过流保护逻辑. 过流保护电路有多个版本，我们注意看目前最新的20240910版，以及旧的20201020版.

• 20240910版

from EBF410194V1R1_SCH_20240910_原理图.pdf

电压比较器逻辑：IN+ 电压 > IN-，则输出高电平；反之，输出低电平.

以U相为例，

正常情况下：Motor_IU_ADC采集电压 < R86,R87的分压值2V84_IN，通过比较器U19输出高电平3.3V；U33 pin3（IN-）处于高电平3.3V > R142,R143分压值（IN+ = 3V3_IN/2），通过比较器U33输出低电平0V，则Q8处于截止状态，于是C99两端电压3.3V；U34比较器pin 1（IN+） = 3.3V > pin 3 （IN-） = 1.65V，所以U34输出高电平3.3V，即 Motor_SD_B = 3.3V；此时，PNP三极管Q7 SS8550截止，于是过流指示灯不亮.

此时，Motor_SD_B = H

即时短时间Motor_IU_ADC > R86,R87的分压值2V84_IN，也不会触发过流保护. 这是因为，比较器U19输出低电平0V，通过R133、R134、C33器件RC充放电作用，U33 pin3电压依然 > R142,R143分压值(3V3_IN/2)，那么U33会输出低电平0V，从而Q8截止.

过流保护时：Motor_IU_ADC > R86,R87的分压值2V84_IN，比较器U19输出0V；比较器U33输出高电平，则Q8导通；比较器U34输出低电平0V，即 Motor_SD_B = 0V；Q7导通，过流指示灯LED3 LED0603点亮，表示相线圈处于过流状态.

此时，Motor_SD_B = L

前面输入信号隔离时，有讲过，Motor_SD_A，Motor_SD_B共同作用于驱动IC IR2110STRPBF的SD引脚，即Motor_SD_IN = NOT (Motor_SD_A AND Motor_SD_B)（注意这里的Motor_SD_IN输出电路有反相作用）.

与门U22输入输出与MOS管状态真值表：

其中，驱动IC IR2110STRPBF的SD pin直连Motor_SD_IN. 只有SD低电平（L）时，驱动IC才能正常工作；否则，关闭，HO、LO停止输出PWM信号驱动MOS管，从而电机停止旋转.

驱动IC IR2110STRPBF的SD引脚定义：
SD： 关断输入（低电平有效，接高电平时整个芯片停止工作，用于保护）

from 驱动IC IR2110STRPBF datasheet IR2110STRPBF_2014-09-06.PDF

• 20201020版

from ebf_brushless motordriver_20201020_原理图.pdf

对于旧版过流保护电路，

正常情况下：Motor_IU_ADC < 2V84_IN，比较器U19输出高电平到Q8 NPN-MOS和U7 74HC1G66GW（模拟开关）的Y端口；此时，Q8导通，U7的EN端口接地，即接入低电平，所以模拟开关关闭，Y、Z端口断开；而3V3_IN对锁存器U31的D端口有上拉作用，所以D为高电平，U31输出Q=D=高电平，所以Motor_SD_B=H

过流保护时：Motor_IU_ADC > 2V84_IN，比较器U19输出低电平到Q8 NPN-MOS和U7 74HC1G66GW（模拟开关）的Y端口；此时，Q8截止，U7的EN端口接高电平，所以模拟开关使能，Y、Z端口内部连接；U19低电平也会输入U7的Y端口，所以Z端口输出低电平到锁存器U31 D端口，而U31输出Q=D=低电平，所以Motor_SD_B=L

综上，正常情况下、过流保护时，Motor_SD_B的逻辑电平与新版过流保护电路一致.

速度控制原理

数学模型

BLDC的数学模型：

\[ω=\frac{U_a-I_aR_a}{K_eφ} \]

其中，

• \(ω\) 电机的转速
• \(U_a\) 电机定子绕组的实际电压大小
• \(I_a\) 电机绕组内通过的实际电流大小
• \(R_a\) 电路系统中包含电机的回路电阻大小
• \(K_e\) 电势系数
• \(φ\) 励磁磁通

参考：P442 美 菲茨杰拉德 A.E.等. 电机学:第六版. 电子工业出版社, 2004.

想要改变电机转速，就必须对3个参量修改：

1）电枢回路的总电阻Ra
2）电枢绕组的供电电压Ua
3）励磁磁通\(φ\)

现实情况下，如果已经选定直流电机及其参数，那么修改总电阻Ra、励磁磁通\(φ\)就很难. 通常，我们只能改变供电电压Ua. 从而控制转速.

同直流有刷电机，BLDC也能通过PWM进行速度控制，频率通常为十几Hz~几十KHz（< MOS管开关频率）.

PWM调制方式

PWM控制BLDC有5种调制方式：

1）PWM-ON：在 120° 导通区间，各开关管前 60° 采用 PWM 调制，后 60° 则恒通. 换相脉动转矩最小，非换相相电流脉动最小；

2）ON-PWM：在 120° 导通区间，各开关管前 60° 恒通，后 60° 则采用 PWM 调制. 换相脉动转矩和非换相相电流 > PWM-ON型；

3）H_PWM-L_ON：在 120° 导通区间，上桥臂开关管采用 PWM 调制，下桥臂恒通. 上桥臂换相时换相脉动转矩和电流脉动与PWM-ON 型相同，下桥臂换相时换相脉动转矩和电流脉动与ON-PWM 型相同；

4）H_ON-L_PWM：在 120° 导通区间，上桥臂开关管恒通，下桥臂采用 PWM 调制. 下桥臂换相时换相脉动转矩与PWM-ON 型相同. 上桥臂换相时换相脉动转矩与ON-PWM 型相同（情况与H_PWM-L_ON相反）

5）H_PWM-L_PWM：在 120° 导通区间，上、下桥臂均采用 PWM 调制. 换相脉动转矩最大，非换相电流也最大.

为编程方便，我们通常使用3、5.

5种PWM策略如下图所示：

综上，控制电机转速，转化成控制PWM占空比（或频率）了. 而要控制电机转速到某一目标值，这就是控制工程内容，工业常用PID调速.

参考

[野火]电机应用开发实战指南

直流有刷驱动板电流电压采集

美 菲茨杰拉德 A.E,美 Fitzgerald A.E,美 金斯利 C,等.电机学:第六版[M].电子工业出版社,2004.

几种常用无刷电机方波调制方式和优点