基于仿真 示例的无刷直流电机控制基础

核心要点

• 六步梯形换相法使换相机制清晰可见，因此对于任何想要系统学习电机控制的人来说，这都是最合适的入门驱动器。
• 六步驱动中的转矩纹波源于六个换相时刻各自的电流重叠，而非控制器调谐不佳所致。
• 霍尔传感器和无传感器反电动势方法的主要区别在于启动阶段，而这一唯一差异决定了大多数量产动力总成中传感器的选择。

无刷直流驱动器会在转子处于正确角度时在绕组之间切换电流，而每项设计选择都取决于这种切换的对齐程度。

电动机系统占全球电力消耗的53%，因此三相逆变器内部的开关逻辑绝非小事一桩。在六步梯形控制中，这种逻辑最为直观，因为每次换向都是一个离散事件，可以在示波器波形上明确指出来。

扭矩纹波并非一种可以通过后续六步驱动调校来消除的缺陷。它是六个开关瞬间中每个瞬间有限的电流上升和下降时间所产生的算术结果，而在将车辆送上动力测功机之前，唯有在仿真 测试台上才能对其进行测量。

无刷直流电机控制的含义及换向原理

无刷直流电机（BLDC）的控制原理是电子换相。三相逆变器在任何时刻都会给三个定子绕组中的两个通电，并随着转子旋转而切换通电的绕组对，使定子磁场始终领先转子约90电气度，从而使转矩保持在最大值附近。

该硬件由三个半桥中的六个开关组成。六个有效的导通状态覆盖一个电转，每个状态持续60电度。一台4极电动机每机械转一圈会完成两个电转，因此转速为3000 rpm的转轴要求逆变器每秒进行600次换相市场活动 。

两相导通之所以可行，是因为反电动势的波形。无刷直流电机（BLDC）的绕组设计使得其反电动势呈梯形波，在接近120电度的位置具有平顶，而在此区域内保持恒定电流可产生恒定转矩。而为产生正弦波反电动势而绕制的电机则不会呈现这种特性，因此才有了“BLDC”或“PMSM”的称谓。

六步梯形换向序列如何驱动逆变器

对于一个旋转方向，控制器按照固定顺序依次控制六对开关。每个状态将一组绕组连接到正极母线，另一组连接到负极母线，而第三组则处于悬浮状态；随着转子每移动60电气度，该序列便向前推进一个状态。

速度控制基于该序列实现。当导通对的低侧开关保持导通时，高侧开关以10至20 kHz的频率进行脉宽调制，因此绕组平均电压随占空比变化，且一个电流调节器会根据直流母线分流器的读数进行闭环调节。若反转该顺序，转轴将反向旋转。 若因错过位置沿而跳过一个状态，两个绕组将发生冲突导致电机堵转，这就是为什么仅在转速超过2000 rpm时出现的故障，几乎总是由定时问题引起，而非序列问题。

霍尔传感器换相如何读取6个扇区中的转子位置

三个间隔120电度的霍尔效应传感器生成一个3位编码，该编码在每个电转中变化六次。每个有效编码通过查找表与恰好一种逆变器状态相对应，因此控制器无需进行角度计算。

该查找表就是整个位置估算器。代码 101、100、110、010、011 和 001 按固定顺序出现，而 000 和 111 则表示传感器故障或接线错误。 若传感器板安装时存在 5 个机械度偏差，则每个换相瞬间都会产生相同的电气误差，其后果表现为在相同输出条件下电流增大。

分辨率就是实际的极限。每个电学周期六个边沿意味着位置精度最高只能达到60度，无法更精确，因此当转速低于几百转/分钟时，基于边沿时序测算的速度值会出现噪声。增加第四个传感器也无济于事。需要更高位置精度的实验室会改用编码器或旋转变压器。

“那个查找表就是整个位置估计器。”

无传感器反电动势换向以启动过程的复杂性为代价，省去了传感器

无传感器换向技术通过读取浮动绕组上的反电动势，检测其与中性电压相交的瞬间，随后等待30电度，再切换至下一个状态。未连接的相线充当其自身的位置传感器，因此霍尔传感器板及其线缆被省略。

零交叉检测很少能完全干净利落。导通相上的PWM斩波会向浮地绕组注入噪声，因此实际实现中通常仅在PWM关断期间进行采样，或者在每次换向后设置一个数十微秒的消隐窗口。

停滞才是真正的制约因素。 静止的转子不会产生反电动势，因此驱动器会通过固定电流矢量使转子对准，并在开环状态下逐步提高换相频率，直到信号强度足够高以实现闭环控制，通常在额定转速的5%至10%左右。泵和风扇可以承受这种“盲启动”。但在负载条件下从零转速开始输出满扭矩的牵引驱动器则无法承受，这也解释了为何在量产动力总成中会采用大多数此类传感器。

在每个换相瞬间，转矩纹波的来源是什么

换向转矩纹波的产生，是因为输出相电流的下降速率与输入相电流的上升速率并不一致。在此重叠期间，三相绕组电流无法再产生平稳的转矩，因此转轴每电转会经历六次转矩的下降或峰值。

上升率和下降率由绕组电感两端的电压决定，只有当直流母线电压接近相位反电动势的4倍时，这两者才相匹配。低于该速度时，输入电流的上升速度慢于输出电流的下降速度，导致转矩下降；高于该速度时，输出电流会持续存在，转矩反而会骤升。齿槽转矩和传感器对中误差会叠加在该基准值之上，因此要分离这些干扰源，需要一个能够独立关闭各干扰源的模型。

“换相转矩纹波的产生，是因为输出相电流的下降速率与输入相电流的上升速率并不一致。”

六步控制与场定向控制的比较

六步控制与磁场定向控制的主要区别在于，二者对转子角的精确度不同。六步控制将位置划分为60度的扇区，并以离散跳变的方式进行切换；而磁场定向控制则在与转子对齐的坐标系中连续调节电流。

六步控制在成本方面更具优势，且能让学生更快地将故障定位到开关；而场定向控制在纹波和声学噪声方面表现更佳，但需要更快的处理器和更精细的位置源。

仿真 本学期教学实验室可以实际开展的示例

一个有用的无刷直流电机（BLDC）实验流程应从理想逆变器模型开始，然后逐一引入非理想因素。学生先进行开环换相，接着添加霍尔反馈，再加入电流调节，最后在同一时间轴上测量转矩纹波与开关时刻的关系。

• 在固定占空比下进行开环六步换向，确认开关顺序和时序。
• 霍尔传感器反馈系统，刻意引入了5度的安装误差，以此展示对齐偏差如何导致电流损耗。
• 带消隐窗口和开环启动斜坡的无传感器反电动势检测。
• 在母线电压等于反电动势4倍的点附近，三种转速下的换向转矩纹波。
• 一种故障注入，例如绕组开路或霍尔码卡死。

电动动力总成测试已从专业课程扩展到常规课程，2024年电动汽车销量超过了1700万辆。以“硬件在环”模式进行这些实验会改变学生的观察结果，因为OPAL-RT OP4512在FPGA时间步长小于微秒的情况下运行RT-LAB模型时，能够解析PWM边沿，因此导致转矩波纹的电流重叠会以波形形式呈现，而非平均值。

有条不紊的换向工作能培养控制工程师哪些素质

那些从换向表开始逐步构建出六步驱动系统的工程师，能够更快地解决后续出现的各种控制问题。他们清楚换相瞬间是什么样子的，知道错失位置边沿会对转轴产生什么影响，也明白为什么一个没有标注转速的转矩纹波数值几乎没有任何参考价值。

一个值得延续的习惯是：先测量，再调试。如果霍尔传感器板偏离了几度，而学生却把发动机运转不平稳归咎于当前的调速器，那么一次测量所学到的知识，远比花一个下午调整增益要多。

将模型、逆变器和电机置于同一时间基准上的教学实验，能让学生获得值得信赖的结果——这正是OPAL-RT为动力总成团队所打造的。对于那些已经了解这六个步骤的作用，以及为何转轴始终无法达到完全平稳状态的人来说，场定向控制的数学原理会更容易理解。