无刷直流电动机工作原理及其优化控制

无刷直流电动机工作原理及其优化控制

陈忠禄

(上海交通大学，上海 200240)

摘 要：无刷直流电动机是利用电子换相替代机械换相和电刷，其既具有直流电动机良好的调速性能，又具有交流电动机结构简单、运行可靠和维护方便等优点，在众多领域中得到了广泛的应用。通过分析无刷直流电动机的结构、工作原理及其特点，研究得出无刷直流电动机的控制策略与控制方法，设计出了无刷直流电动机的软件控制算法。

关键词：无刷直流电动机；霍尔位置传感器；电子换向；PID控制

1 无刷直流电动机的工作原理及控制方法

1.1 无刷直流电动机的构造和工作原理

无刷直流电动机由永磁转子和三相电子线圈绕组组成。永磁同步电动机并不是使用电刷作为换向工具，而是使用电子换向的工作方式。通常，无刷直流电动机使用霍尔传感器(Hall Sensors)来检测永磁转子的所在位置，并以此位置信息来对电动机进行换向控制。典型的由霍尔传感器作为转子位置传感器的无刷直流电动机结构示意图如图1a所示，其转子位置检测系统示意图如图1b所示。

图1 无刷直流电动机

在无刷直流电动机中，三相电磁线圈并不转动，转动的是永磁转子，这就很好地解决了如何对电流进行换向这个难题。为了解决这个难题，有刷换向装置被智能电子控制器取代，从而通过电子的方式进行电流换向。控制器通过使用固态电路，而不是换向器或者电刷系统，对直流无刷电动机进行能量转换和控制。

无刷直流电动机的转速和转矩取决于电动机线圈绕组所产生的磁场强度，而磁场强度又由流过无刷电动机线圈的电流大小决定；因此，无刷直流电动机的转速可以通过调节电动机线圈绕组两端的电压(流过的电流)来控制。

换向又可称为换流，在无刷直流电动机中，来自转子位置传感器的信号，经处理后按照一定的逻辑程序，驱使某些与电枢绕组相连接的功率开关晶体管在某一瞬间导通或截止，迫使某些原来没有电流的电枢绕组内开始流通电流， 某些原来有电流的电枢绕组内开始关断电流或改变电流的流通方向，从而迫使定子磁状态产生变化。我们把这种利用电子电路来实现电枢绕组内电流变化的物理过程称为电子换向或换流。每换流一次，定子磁状态就改变一次，连续不断地换流，就会在工作气隙内产生一个跳跃的旋转磁场。

当电子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁极相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置信号变换成电信号，来控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向的作用[1]。

图2所示的系统原理图详细描述了在电动机转动过程中如何正确地驱动电动机。流过线圈绕组的电流方向决定了定子磁通的方向。按照一定的顺序改变流过线圈绕组的电流方向，即可对转子施加吸引或者排斥的力。无刷直流电动机特殊的绕线方式使得只要改变流过线圈绕组电流的方向就可以产生旋转的磁场。电子换向与雷尔传感器输出信号如图3所示。由图3可以看到，在连续的2个象限之间，流过某个线圈绕组的电流的方向是一致的。图3展示了6个不同的换向阶段(由霍尔传感器H1、H2和H3产生)，以及相应的电流(ia，ib和ic)电压(ea，eb和ec)的关系。施加在线圈绕组两端的电压按照表1的顺序进行[2-3]。

图2 系统原理图

1.2 转速控制

通过调节电动机线圈绕组两端的电压即可实现对电动机的速度调节。电压的调节是通过PWM的方式来进行控制的(见图4)。增加或者减小PWM波形的占空比，流过定子线圈的电流就会变大或者变小，电流的变化就会影响定子磁通和磁通密度，从而改变转子和定子之间的磁场力。由此表明，电动机的转速由转子负载、流过定子线圈的电流和在定子线圈两端施加的电压共同决定。

图3 电子换向与霍尔传感器输出信号

表1 电子电流换向顺序

序列号转换间隙/(°)相电流ABC闭合开关00～60+-OFF1,4160～120+OFF-1,62120～180OFF+-3,63180～240-+OFF3,24240～300-OFF+5,25300～360OFF-+5,4

图4 PWM电动机转速控制

1.3 转矩控制

和电动机转速控制一样，电动机的输出转矩也是由流过定子线圈绕组的电流大小决定的。为了获取最大的电动机输出转矩，定子和转子的磁通应该保持相互垂直，即两者所产生磁通的夹角应该为90°。

1.4 位置反馈

转子位置信息可以通过多种技术手段来获取。其中，最常用的方法是采用霍尔传感器来获取转子位置信息，其他读取转子位置信息的方法还包括使用编码器等。本文使用的无刷直流电动机采用霍尔传感器获取转子位置信息[4]。

2 无刷直流电动机控制算法与软件设计

2.1 软件总体结构

无刷直流电动机控制系统需要在设计的硬件电路基础上，通过软件编程来实现最终的电动机调速控制。控制系统的软件部分主要分为初始化子程序、主程序以及各个中断子程序等。控制系统软件部分整体结构如图5所示。

图5 主程序流程图

系统复位后首先对系统进行初始化，然后初始化寄存器和相关变量，初始化子程序部分主要包括一些开机自检事件，如电源检测、PWM的输出和MOSFET的检测等，随后便进入系统主程序。

永磁无刷直流电动机控制系统是集模拟量采集、调节、驱动控制和保护的多线控制系统。程序总体为模块化设计实时控制流程，程序运行及循环等待为前台，各种中断处理程序为后台。为使系统实现多线程序运行，程序应采用多个甚至分级中断，将程序编入中断程序中，并设置各中断的触发方式。各级中断实现多任务分时处理，按照程序优先级设定要求，相互配合，完成系统软件综合功能。

2.2 子函数设计

2.2.1 Main函数

Main.C作为应用程序的入口，通过这个入口，应用程序相关的初始化等一些工作得以完成。Main.C程序中的函数描述见表2。

表2 Main.C程序中的函数描述

函数功能描述voidCall_5ms(void) 5ms周期任务:在电动机工作的情况下进行PID计算voidCall_25ms(void) 25ms周期任务:OLED显示电动机转速voidCall_100ms(void) 100ms周期任务:无刷直流电动机控制命令更新(转向、加减速)voidCall_1s(void) 未使用voidAppl_Init(void) 应用函数初始化:计数器清零、无刷直流电动机初始化、霍尔传感器初始化、I2Cintmain(void) 主函数入口:执行初始化函数,执行无限循环函数

2.2.2 无刷直流电动机控制函数

BLDC.c和 BLDC.h是无刷直流电动机控制函数，BLDC.c 包含了无刷直流电动机相关的程序。例如，对电动机的初始化和对电动机的控制。相关的软件函数见表3。

2.2.3 数字PID计算函数

PID.c和PID.h是数字PID计算函数。系统通过软件实现电动机转速闭环的PID控制策略，PID控制算法为增量式控制算法，转速参考值与转速传感器测得实际电动机转速进行比较，得到转速环输入误差e(k)，将误差送入PID控制算法运算后改变PWM的占空比，从而得到合适的电动机转速平均值。

表3 相关的软件函数

函数功能描述voidvBLDC_init(void) 无刷直流电动机初始化:无刷直流电动机结构参数初始化、PWM初始化voidvBLDC_Commutate(volatileuint8_tstep) 通过霍尔传感器获取无刷直流电动机转子前一时刻的位置信息,转子位置信息作为电动机控制的输入(PWM驱动信号的占空比不在此函数内计算)voidvBLDC_Stop(void) 无刷直流电动机减速控制voidvBLDC_ReadHall(void) 读取无刷直流电动机霍尔传感器信号,从而判断电动机转子位置voidvBLDC_CalcRPM(MOTOR_TypeDef*ptr) 计算无刷直流电动机实际转速(RPM)voidvBLDC_RampUp(MOTOR_TypeDef*ptr,uint32_tmax_RPM) 无刷直流电动机加减速控制

把电流环的输出(即e(k))经PID控制算法处理后的结果定义为e*(k)，则典型的PID控制算法为：

e*(k)=e*(k-1) + (KPi+KIiTi+

)e(k) - (KPi+)e(k-1) +

式中，KPi、KIi和KDi分别为电动机转速环的比例系数、积分系数和微分系数；Ti为转速环的采样周期；e(k)为转速误差。控制框图如图6所示[5]。

图6 电动机调速控制PI控制框图

函数vPID_RPM(MOTOR_TypeDef)作为PI控制器，其唯一的功能就是进行PID计算，从而调节驱动信号的占空比(PWM)。函数的输入变量是MOTOR_TypeDef类型的指针。OTOR_TypeDef类型包含了PI控制器所需的所有无刷直流电动机的参数。Motor-TypeDef结构体定义如下：

typedef volatile struct _MOTORstr {

int32_t Kp; // PID Kp input value

int32_t Ki; // PID Ki input value

int32_t Kd; // PID Kd input value

uint32_t sp; // The RPM Setpoint

uint32_t pv; // the process value, used by PID

int32_t err[3]; // PID error array

int32_t IntError; // Integration error

int32_t LastError; // Previous PID calc error

uint32_t mv; // Manipulated value, PID output

uint32_t HALstate[2]; // Current HALL state

uint32_t TMRval[2]; //

uint32_t Deadtime; // Deadtime *NOT USED*

uint32_t CMT_CNT; // Commutation counter value

uint32_t CMT_step; // Current commutation step

uint32_t RPM; // Actual RPM value

uint8_t Enable; // Overall motor ENABLE

uint8_t Direction; // Motor rotor direction, CW or CCW

uint8_t RampingUp; // Motor ramping up indication

uint32_t Startup; //

uint8_t Brake; // Motor break indication

uint8_t CMT_flag; //

uint32_t max_mv; // Max manipulated value, to scale to

uint8_t PolePairs; // Motor pole pairs

uint32_t Trap_CNT; //

uint16_t Current[3]; // Motor current

uint16_t Voltage[3]; // Motor/System voltage

} MOTOR_TypeDef。

3 结语

本文在深入介绍无刷直流电动机结构、特性的基础上，对无刷直流电动机的控制原理与PID控制方法进行了详细的分析与研究，最后详细说明了电动机的软件设计，为无刷直流电动机控制方法与PID控制提供了一定的理论参考；同时，对于无刷直流电动机控制器的软件结构和软件设计具有一定的参考价值。

参考文献

[1] 牛海清，谢运祥. 无刷直流电动机及其控制技术的发展[J]. 微电机，2002(5):36-38.

[2] 陈俊峰. 永磁电机：上下册[M]. 北京:机械工业出版社, 1982.

[3] 张琛. 直流无刷电动机原理及应用[M]. 北京:机械工业出版社, 2004.

[4] 顾铭. 无刷直流电机控制系统设计[D]. 大连:大连理工大学, 2006.

[5] 孙立志. PWM与数字化电动机控制技术应用[M]. 北京：中国电力出版社，2008.

作者简介：陈忠禄(1986-)，男，工程硕士研究生，主要从事自动化控制、电机自动控制等方面的研究。

收稿日期：2017-08-31

责任编辑 郑练

Principal of Brushless DC Motor and Its Optimized Control Method

CHEN Zhonglu

(Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Abstract： Brushless DC motors do not use brushes for commutation; instead, they are electronically commutated. Due to this, BLDC motor not only has the same speed regulating performance as DC motor, but also it is very stable and reliable in operation. With development of BLDC motor, it is widely used in various areas. This article first introduces the structure and composition of BLDC motor so as to conclude its principal and operation characteristics. With the above theoretical basis, the systematic BLDC motor control strategy and control method is formed. Last, a detailed software algorithm is discussed and finalized.

Key words: BLDC motor, hall sensor, electronical commutation, PID control

中图分类号：TM 381

文献标志码:A