第一章 无刷电机（BLDC）基础知识

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一、电机中常见的名词

定子：电机中一直不动的机构
转子：电机通电后运动的机构
有刷和无刷：指的是否有碳刷/电刷，这也是区分电机的根本

二、无刷电机的定义

无刷电机是指一种不使用电刷的电动机。它通过电子设备和霍尔元件感知永磁体的位置，利用电子线路切换电流方向，从而驱动电机。这种设计消除了有刷电机的缺点，提供了更高的效率和更长的使用寿命。无刷电机广泛应用于电动车、无人机和其他需要高效能的设备中。

三、无刷电机的分类

1.内转子和外转子

无刷电机可以根据转子的分布分为内转子和外转子。

外转子电机：转子作为外壳，包裹着内部的定子绕组。这种电机转子质量大，扭矩大，更适合低速大扭矩的场景，如空调，电动汽车，工业领域等。

内转子电机：外转子电机的转子位于电机的外部，包裹在定子周围。·这种电机由于转子质量小，惯性小，更容易高速运行，适合无人机这种需要电机高速运转的场景。

2.有传感器控制和无传感器控制

无刷电机可以通过控制方式分为有传感器控制和无传感器控制

有传感器控制：通过霍尔传感器检测转子的位置信息，并通过控制器来切换电流方向，达到电子换向的效果。

无传感器控制：不使用霍尔传感器，而是通过反电动势来估算转子的位置，适用于对成本较为敏感的场合。

四、极对数、电角度和机械角度

1、极对数

指的是电机定子磁场的极对数。一个“极”指的是定子磁场中的一个磁极，即北极或南极。极对数是指定子磁场中一对相反极（即一个北极和一个南极）的数量。

2、机械角度

转子作为一个整体转动一周的变化范围是机械角度，每从一个N极到下一个N极变化的范围是电角度的一个周期，因而转子在转动一周的过程中，电角度的变化范围 = 机械角度 x 极对数

在四极及以上极数的电机中常常把一对极所占的机械角度定义为360度电角度，这是因为绕组中感应电势变化一个周期为360°。对于两极电机，其定子内圆所占电角度和机械角度相等均为360°；而p对极电机, 其定子内圆全部电角度为360°·p，但机械角度却仍为360°。所以二者存在以下关系：

电角度=极对数（或者级数/2）*机械角度

bldc FOC控制里面， park变换，用的就是电角度。千万别搞错哦。

3、极对数测量办法

方法就是：用示波器的探头夹住电机的一根线，另一根接探头，然后旋转电机一圈，截取波形，数下峰的个数（上下峰都算），为偶数值除以2，就是我们电机的极对数。

比如下图，上峰值3个，下峰值3个，总共6个，除以2等于3，那么极对数就是 Pn = 3

4、拓展（同步电机）

同步电机的转速与极对数的关系可以用以下公式表示：同步转速 = 60 * 频率 / 极对数。在这个公式中，频率通常为50Hz或60Hz。极对数越多，电机的同步转速越低。例如，2极电机的同步转速为3000转/分钟，4极为1500转/分钟，6极为1000转/分钟，8极为750转/分钟。因此，合理选择极对数对于电机的应用非常重要。

但是改变频率后，同步电机转速可达十几万转。

五、反电动势

1、反电动势的产生过程

反电动势的产生过程可以分为以下几个步骤：

磁场与电流交互：无刷电机的定子由若干绕组组成，当电流流过定子绕组时，绕组产生的磁场与转子上的磁场相互作用，产生转矩，使转子旋转。

转子旋转：随着转子的旋转，转子上的磁场相对于定子绕组发生变化。转子磁场的变化导致了定子绕组中的磁通量发生变化。

感应电压：根据法拉第电磁感应定律，磁通量的变化会在定子绕组中感应出电动势，这个感应电动势即为反电动势。反电动势的大小与转速成正比。

反向电压：反电动势的方向与原来施加的电压方向相反。它会抵消一部分电源电压，进而减少流入电机的电流。

2、获取反电动势的意义

获取反电动势（Back EMF）的意义在于实现无传感器控制（Sensorless Control）和优化无刷电机（BLDC 或 PMSM）运行的性能和效率。以下是获取反电动势的具体意义和应用：

①、 无传感器控制

无刷电机传统的控制方法需要使用位置或速度传感器（如霍尔传感器、编码器）来获取转子位置。然而，传感器存在以下问题：

成本增加：传感器和安装工艺增加了系统的复杂性和成本。
可靠性降低：传感器易受环境（如高温、湿度、振动）影响。
体积限制：某些场合（如微型电机）不便于安装传感器。
通过检测反电动势信号，可以推算电机转子的瞬时位置和速度，从而替代传感器，实现无传感器电机控制，提高系统的简洁性和可靠性。

②、精确的换相控制

在BLDC电机中，正确的换相时间至关重要。反电动势的零交点（Zero Crossing Point, ZCP）可以用来精确判断转子的角度，从而：

确保换相时电流与磁场对齐，最大化电磁转矩输出。
避免换相过早或过晚导致的转矩振荡或效率损失。

③、实现速度和方向的估算

反电动势的频率与转子转速成正比，通过分析反电动势信号的频率，可以实时估算电机转速；信号的极性变化还可以用来判断转子的旋转方向。

④、 提高效率

通过采集反电动势信号，可以：

动态调整PWM占空比，使电机运行在最佳工作点。
实现磁场定向控制（FOC），提高运行效率，减少损耗。

⑤、用于故障诊断

反电动势信号也可用于检测电机系统的异常：

绕组短路：反电动势幅值异常降低。
相位不平衡：各相反电动势不对称。
转子卡滞或堵转：反电动势信号频率异常变化。

3、反电动势过零检测法

当无刷电机转动时，每个绕组都会产生反电动势电压，根据楞次定律，反电势极性与主电压相反。反电势计算公式：

其中，N 为绕组匝数，l 为转子长度，r 为转子内半径，B 为转子磁场，w为角速度。

当电机做定后，电机绕组与转子参数固定。电机反电势只与角速度成正比。

下图为电机旋转一个电周期中电流与反电势波形。

缺点:
电机静止和低速时，反电动势很小或者为0，无法获取转子位置信号，电机低速时性能较差，启动时需要开环启动。

①、过零采样原理

当 BLDC 电机转动时，反电势过零点发生在浮空相。通过检测各相各相对地电压，并与直流母线电压对比。当端电压等于直流母线电压一半时，即发生过零事件。在基于ADC的过零点检测方案中，同时测量端电压与直流母线电压并进行对比，获得过零信号。

当 BLDC 电机转动时，反电势过零点发生在浮空项。通过检测各相对地电压，并与中性点电压（相当于直流母线电压的1/2）比较。当端电压从大于中性点电压变成小于中性点电压，或端电压从小于中性点电压变成大于中性点电压时，即为过零点。但一般 BLDC 电机并未引出中性点，导致无法直接测量中性点电压。在基于比较器的过零点检测方案中，将三相绕组通过等阻值电阻连接到公共点，以此重构中性点，并将中性点与端电压通过比较器获得过零信号。

②、过零检测硬件原理图

为简化计算流程，端电压与直流母线电压采用相同的分压系数。在 本 电机控制方案中，采用 1/21 的分压方案，控制直流母线电压与端电压范围在 主控芯片的 ADC检测范围内。

使用相同阻值的电阻连接各相构建虚拟中性点。以 U 相为例，U 相反电势与中性点经过比较器输出过零信号。

每一相反电势均存在由正到负以及由负到正的情况，因此三相共存在六种过零状态。为便于程序处理，esp_sensorless_bldc_control 将检测到的六种状态与下一次的换相动作映射：

六、闭环控制（无感）

只要能准确地检测反电动势的过零点，就能方便地进行闭环调速。

1、闭环的建立

每一相的反电动势都有两种过零情况：从正变为负和从负变为正。三相共有六种过零情况，对应六种换相状态，且这种对应关系是固定不变的。于是我们可以首先将这个对应关系写入一个表中，程序中每检测到一个过零点，就通过查表来决定相应的IO输出，控制下一步哪两相通电；然后切换到当前的断开相继续检测反电动势过零点，如此循环，直至建立稳定的闭环。
理论上，过零点总是超前换相点30°电角度，如图3所示。因此在检测到过零点后，要先延迟30°电角度再换相。但是在闭环调速过程中，电机旋转一个电气周期的时间不是固定不变的，我们无法预测在检测到过零点后接下来的这30°电角度是多长时间。那麽在检测到过零点之后，怎样决定延时时间呢？ 虽然我们无法预测接下来的30°电角度是多长，但是刚刚过去的这个换相周期即两个换相点之间60°电角度的长度是可以测量的。在每次换相时将timer清零，在下一次换相时读取的timer值就是这个换相周期的长度。于是我们可以采用近似的办法，用上一个换相周期，即60°电角度的时间减半，作为接下来的30°电角度延时时间。这种方法是可行的，因为电机的转速是渐变的，相邻两个换相周期的时间相差不会很大。

2、PWM调制

电机进入闭环后，只要通过调节PWM的占空比即可调节转矩，调节频率可调节转速。电机各绕组的通电和判断都用PWM端口控制，PWM占空比大时，流过电机绕组的电流大，定子磁场就强，转矩就高；反之PWM占空比小时，电机转矩就低。

七、无刷电机启动（无感）

BLDC电机控制的最大难点并不是位置检测和换相，而是起动方式。由于电机绕组的反电动势与转速正相关，当转速很低时，BEMF也非常小以致很难准确检测。因此电机从零转速起动时，反电动势法常常不能适用。必须先借助其它方法将电机拉到一定速度，使BEMF达到能够被检测的水平，才能切换到反电动势法进行控制。

1、静止定位

只有先确定了静止时转子的位置，才能决定起动时第一次应触发哪两个开关管，我们把确定转子初始位置的过程叫做定位。

①、两相通电法定位

最简单而常用的方法是给任意两相通电，并控制电机电流不致过大，通电一段时间后，转子就会转到与该通电状态对应的预知位置，完成转子的定位。以下图为例，若给AB两相通电，则定子磁势Fa的位置如图所示，此时若转子磁势Ff在图示位置，则转子将顺时针转过120°电角度，与定子磁场方向对齐。

为了避免这个问题，可以先给AC、BC通电，形成的磁场方向与Fa垂直，则转子必会转到Fa垂直的位置（即使这时又有死锁，转子在与指定方向成180°角的位置，也还是与Fa垂直），然后再给AB通电，则能够确保转子转到Fa方向。

②、变感检测法定位

一种更有效的方法是利用电机绕组电感的变化来检测转子的初始位置。这种方法不依赖于电机的任何特性，因此对任意电机都适用，甚至改变电机的起动负载，还是能有效地实现定位。该方法基于如下的原理：对处于永磁体磁场中的线圈施加一个电压，根据磁场方向的不同，产生的电流会增强或削弱磁场的强度，从而使线圈电感减小或增大。

具体实现方法如上图所示，先将某一相绕组连接到高电平，另外两相接地，这时产生的定子磁场方向如图所示。然后将接地的两相绕组改接到高电平，原来接高电平的绕组接地，产生一个方向相反的磁场。两种情况的通电时间都很短，转子并不转动，绕组中产生一个电流脉衝。比较这两种情况下电流脉衝的大小，即可比较出两次绕组电感的大小，从而可把转子定位在180°的范围内。然后换一相电机绕组重复刚才的过程，把转子定位在另外180°的范围内。三相绕组各进行一次检测，三个范围的重合处，即可确定转子所在的60°范围。

由于这种方法每次绕组通电的时间都很短，因此不会担心过流的问题。另外由于不会改变转子位置，在转子运行的间隙中也可以用这种方法来检测转子位置。

2、加速

明确了转子的初始位置后，就能够决定第一次应该打开哪几个开关管，使哪两相通电，控制转子正转或反转到下一个位置，即第一次换相。如果这第一次换相时在断开相绕且中产生的反电动势就足够检测过零点，则可以直接进入闭环控制。但是实际情况往往没有这麽理想，在电机从静止状态第一次换相时的速度下，往往不足以产生足够的反电动势来实现过零点检测。因此我们只能先将电机开环加速到一定的转速，使反电动势达到能够检测过零点的水平，再切换到闭环调速。
由于开环加速是很不稳定的，必须事先设计合理的加速曲线。一种方法是先通过试验确定加速曲线上的3~4个关键点，然后拟合出整条曲线的表达式。
此法的成功实现，受电机负载转矩、外施电压、加速曲线及转动惯量等诸多因素影响。通过优化加速曲线，此法能保证电机顺利起动，但是对不同电机、不同负载，所对应的优化加速曲线不一样，导致通用性不强。
还有一种加速方法是利用前面“定位”一小节中介绍的变感检测法，每加速一段时间后就用这种方法检测一次转子位置，然后根据转子位置调整要通电的相序，继续加速。不断重复检测——加速——检测——加速„„直到电机高速运转到需要的速度为止。

3、切换到闭环

如果不想花过多精力在制订加速曲线上，也可以用另外一种方法来切换到闭环。这种方法对转子和定子磁场的相位差没有要求，只要电机能加速到足够的转速后，将三相绕组全部开路，则转子处于不受控状态，凭藉惯性继续转动。这时三相绕组中都没有电流，都可以进行反电动势过零点检测，而不用担心前面提到的反电动势过零点发生在通电相而无法检测的情况。在连续检测到几次过零点之后，就可以切换到闭环。在三相全部断电后，电机在惯性作用下一般至少还会旋转数十个电气周期，其中转速在反电动势能够检测的水平之上的周期至少也有十几个，足够进行转子位置检测，因此这种方法是可行的。不足是这种方法在负载转矩较大时不适用。