无刷直流电机PWM控制原理与优化策略

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“在驱动高功率无刷电机时，PWM控制是不可或缺的，同时，微控制器需提供启动与控制功能。您是否明白PWM在无刷直流电机控制中的关键作用呢？”

在挑选或研发利用PWM技术驱动的无刷直流电机电子设备时，运动控制系统设计者常常遭遇难题。留意一些基础物理现象，有助于规避性能上的意外问题。本文旨在为PWM驱动器与无刷直流电机的搭配使用提供通用的指导。

无刷直流电机的换向过程

与依赖机械换向的有刷直流电机不同，无刷直流电机采用电子换向。这意味着电机的各个相位会根据转子与定子的相对位置，依次通电和断电。对于三相无刷直流电机，驱动器由六个电子开关（通常是晶体管）构成，通常称为三相H桥（见图1）。这种配置提供了三个双向输出，实现了电机的三相通电。

图1：由六个晶体管组成的三相电机H桥，与三个电机相位相连。

通过按特定顺序打开和关闭晶体管，使电机各相通电，以确保定子与转子磁铁感应产生的磁场保持*佳方向（见图2）。

图2：无槽无刷直流电机的横截面示意图。蓝色区域是带有两极永磁体的转子。磁铁产生的磁场由蓝色箭头表示。橙色区域为三相绕组。当电流从A相流向C相时会产生磁场，由橙色箭头表示，以便于简化。当两个箭头对齐时，转子将旋转。驱动器变换相位（旋转定子磁场，橙色箭头），以确保定子和转子磁场之间尽可能保持90度（产生*大扭矩）。

电机可以采用常见的六步梯形换向驱动（见图3），也可以通过操作实现更高级的矢量控制，即磁场定向控制（FOC），具体取决于电子设备的复杂程度（见图4）。

图3：六步换向相电流和霍尔传感器状态。

图4：使用FOC放大器的相电流。

无刷直流电机的PWM调节

在有刷或无刷直流电机中，工作点（速度和扭矩）可能会有所不同。放大器的作用是调整电源电压或电流，或两者都调整，以实现期望的运动输出（见图5）。皖南电机价格表

图5：有刷直流电机和无刷直流电机之间的运动控制架构比较。

调整电压或电流通常有两种不同的方式：

- 线性放大器；

- 斩波器放大器。

线性放大器通过改变电压或电流，来调整传递给电机的功率。未输送至电机的功率被耗散（见图6）。因此，需要一个大型散热器来耗散功率，从而增大放大器的尺寸，使其更难以集成到应用中。

图6：为电机供电的线性放大器示例。

斩波放大器通过打开和关闭功率晶体管来调节电压（和电流）。它的主要优点是在晶体管关闭时可以节省电源。这有助于节省应用的电池寿命，减少电子设备产生的热量，并允许使用尺寸更小的电子设备。大多数情况下，斩波放大器都使用PWM方法。

PWM方法包括在固定频率下改变占空比（见图7），以将电压或电流调整到期望的目标值内。请注意，与其它方法相比，PWM斩波电流的一个优点是开关频率是一个固定参数。安徽皖南电机这使得电子设计师更容易过滤电磁噪声。当PWM晶体管占空比为100%时，施加到电机上的电压为母线电压。当晶体管占空比为50%时，施加在电机上的平均电压为母线电压的一半。当晶体管占空比为0%时，不会向电机施加电压。

图7：不同的PWM占空比。所有工况下的频率都是相同的，而平均电压（虚线）与占空比成比例。

无刷直流电机的电感效应

直流电机的特点是电感L、电阻R和反电动势E串联。反电动势是由磁感应（法拉第-楞次感应定律）产生的电压，它与施加的电压相反，并且与电机速度成正比。图8显示了PWM接通和PWM断开时的电机。

图8：PWM接通（左）和断开（右）时，直流电机的简化等效电路图。为简单起见，右侧电路对应于慢衰减模式（电机中的电流再循环）。

现在，为了简单起见，我们不考虑反电动势。当向RL电路施加电压或切断电压时，电感器将阻止电流的变化。向RL电路施加电压U，电流将遵循一阶指数上升，其动态取决于由L/R比决定的电时间常数τ（见图9）。在经过5倍时间常数后，它将逐渐达到稳态值，即99.7%的U/R。

图9：RL电路中的电流按指数规律上升。

当RL电路放电时，将观察到相同的指数行为。实际上，无刷直流放大器具有相当高的PWM频率，电流不容易达到稳态。该频率通常高于50 kHz，因此在每个换相步骤中，有足够的周期对电流进行适当调制。对于50 kHz的PWM频率，关闭和打开晶体管的周期时间等于20 μs。考虑到六步换向，一个以40000 rpm（667 Hz）运行的单极对电机的一次换向时间，需要250 μs。这样，在一步换向期间，至少有250/20=12.5个PWM周期。

无刷直流电机的电气时间常数τ为几百微秒。因此，在每个PWM周期内，电流将有时间作出反应。但是，机械时间常数在几毫秒范围内，因此机械时间常数和电气时间常数之间的系数为10。因此，当电压以典型PWM频率切换时，电机转子本身没有足够的时间响应。几千Hz的低PWM频率可能会导致转子振动和可听见的噪音。建议使用高于可听频率的频谱，即至少高于20 kHz。

无刷直流电机PWM的限制

PWM将导致每个周期的电流上升和下降。电流*小值和*大值之间的变化称为电流纹波。高电流纹波可能会导致问题。建议将其保持在尽可能低的水平。电机转矩需要考虑平均电流。平均电流取决于占空比，与电流纹波无关。

与有刷直流电机不同，无刷直流电机没有电刷。高电流纹波对寿命本身没有影响。电流波动会对电机损耗产生很大影响，产生不必要的热量。电流纹波将产生两类损耗：

- 焦耳损耗。电流纹波将增加均方根（RMS）电流值，这是焦耳损耗计算中考虑的。纹波将产生额外的热量，但不会增加平均电流，因此不会增加扭矩。安徽皖南电机请注意，它是RMS电流函数变化的平方。

- 铁损耗。根据法拉第电磁感应定律，导电材料中磁场的变化将产生电压，然后产生被称为涡流的电流回路。铁损耗与电机速度的平方和电机电流的平方成正比。根据实际测量，当电流纹波较大时，产生的额外铁损耗会显著增加。因此，保持电流纹波尽可能低非常重要。

*小化电流纹波的建议

我们可以制定一些建议，以尽量减纹波：

- 降低或调整电源电压。电流纹波与电源电压成比例。高电压，有助于到达需要高速或更高功率的极端工作点。然而，如果应用不需要高速或高功率，则较低的电源电压将有利于降低电流纹波。在相同负载点下，以较低电压运行也会增加占空比，这将进一步降低电流纹波。务必将PWM的占空比尽可能保持在50%以内，这是*坏的情况。

- 增加PWM频率。频率越高，PWM的周期越短；因此，电流上升的时间更短。建议无刷直流电机的PWM频率不低于50 kHz。80 kHz或更高的PWM频率，更适合于电气时间常数非常小的电机。

- 增加电感。皖南电机无刷直流电机的电感值非常小。增加外部电感是一个好主意，因为它们可以减缓电流的上升和下降，从而减少电流纹波。皖南电机价格表此外，针对1 kHz的PWM频率给出了指定的电感值。由于电机电感随PWM频率变化，在50 kHz的典型PWM频率下，电感可能会降低至规定值的70%。通常通过实验确定电感的*佳值。需要增加额外的电感，如图10所示。虽然这种解决方案可以解决当前的纹波问题，但集成附加电感可能并不容易，尤其是在空间有限的情况下。因此，首先探索其它两种方案通常是明智选择。

图10：带有额外线路电感的无刷电机。

PWM具有许多优点，是无刷直流电机中应用*广泛的解决方案。设置适当的PWM电压，使用较高的PWM频率，将有助于减少纹波，并可以避免使用额外的电感。得益于现在电子元件较低的成本，使得采用高PWM频率成为一种简单的解决方案。

当涉及电子设备的尺寸和重量时（例如嵌入式电子设备的便携式设备），或者当电池寿命是一个关键指标时（额外电感内阻的焦耳损耗所消耗的额外能量），电气设计师在开发运动控制系统时应考虑这些参数。

关键概念：

- 审查无刷直流电机的PWM调节。

- 了解无刷直流电机PWM的限制。

思考一下：

您是否正在解决选择或开发使用PWM驱动无刷直流电机的电子设备所面临的挑战？