了解 BLDC 电机控制算法

第 1 部分 BLDC 电机的工作原理

假设有一个电机，定子带三个线圈绕组，转子带单个极对。这类 BLDC 电机的驱动方式是通过三相逆变器进行六步换相（即梯形控制），每 60 度以正确的相位执行一次换相，使电机连续旋转。

直流电压源为三相逆变器提供恒定电压，三相逆变器将直流电转换成三相电流，依次为不同的线圈对通电。如下图所示，当外加电压恒定时（左侧图），由于电压与速度成比例，电机以恒定速度转动（右侧图）。

利用换相逻辑电路进行换相

下面的模块图显示电机控制算法的不同组件之间如何交互。换相逻辑电路计算三相逆变器的开关方案。在换相逻辑表中，字母 A、B 和 C 分别代表电机的三个相位。三相逆变器的高端标注为 H，低端标注为 L。如果转子在第一个扇区内，则换相逻辑选择第一行的开关方案，规定 A 相的高端开关和 C 相的低端开关为开启状态。

当转子移至其他扇区时，逻辑相应地选择下一个开关方案，发送给三相逆变器。综上所述，传感器会告知何时换相，换相逻辑会决定要每次换相时要通电的正确相位。这就是电机旋转的原理。下一个目标是使电机能够以不同的速度旋转。

查看以下视频，了解如何使用 Simscape Electrical™ 创建三相逆变器和换相逻辑电路的模型。

第 2 部分 连接控制器并构建电机的仿真模型

目前给逆变器施加的是恒定直流电压，产生的是恒定速度，如前文所述。我们可以加入合适的控制器以形成闭合回路来调节此电压，如以下模块图所示的 PID 控制器。根据期望速度与测得速度之间的差异，控制器对电压进行调节，使电机转速接近于期望值。图中淡蓝色的模块表示控制算法，浅灰色则表示物理系统组件。

您可以在仿真环境中实现闭环 BLDC 速度控制算法，如以下 Simulink^® 模块图所示。对应的模块标签显示控制算法的不同组件如何映射到 Simulink 模型中的各个子系统。

在这个仿真中，为了演示电机工作过程，我们假设电压能按理想方式改变，但在现实中，需要使用脉冲宽度调制 (PWM) 来实现操作。

阅读关于实现电机控制算法的更多内容。

第 3 部分 通过仿真研究电机行为

上一部分介绍的模型记录了速度、电压、电流和转矩等信号。为了研究电机和控制器的行为，现在运行该模型。顶部图用绿色线表示期望速度，用红色线表示测得速度。可以看到，速度以 100 rpm 的增量从 100 上升到 500 rpm。在底部图中，您可以看到控制器如何调节电压，使电机以期望的速度旋转。

我们可以很明显地看到，测得速度信号中存在波纹。底部的放大图显示转子何时越过扇区。对比扇区图和速度图，可以清晰地看到，观测到的速度信号波纹与换相之间存在某种关联，因为波纹的重复模式与换相周期一致。

回顾一下换相过程。其中一个相位被拉高或拉低，一个相位保持其当前状态，第三个相位处于打开状态。如果三相电流像下图那样发生突变，我们就不会观测到那种波纹图样。

但在现实中，当驱动相位时，电流不会发生瞬变，需要一定的上升时间。