无刷电机控制概述
本指南包含以下内容：
无刷电机概述
无刷直流（Brushless Direct Current, BLDC）电机属于同步电机的一种，可配置为单相，两相，三相。此文讨论的都是三相无刷电机。
无刷电机不使用电刷进行换向，而是使用电子换向，具有以下优点：
更好的转速-转矩特性
快速的动态响应
高效率
使用寿命长
运转无噪音
较高的转速范围
BLDC 无刷电机
无刷电机的组成分为定子和转子两部分：
定子是线圈绕组电枢，具有三个星型连接的定子绕组，沿着定子圆周分布这些绕组，以构成均匀分布的磁极。
转子用永磁体制成，永磁体的磁极数目大多为 2 到 8 磁极。南磁极和北磁极交替。
BLDC 无刷电机运转方式
如果只给电机通固定的直流电流，电机只会产生不变的磁场。无法转动起来。只有通过适当的顺序来为定子相位供电，在定子上产生一个旋转磁场。转子的固有磁极跟随定子的旋转磁场有序旋转，才能达到转动的目的。
备注
理想状态下，转矩峰值出现在两个磁场正交时候，而在两磁场平行时最弱。
重要参数：
KV 值 (rpm/V)：可以直观表示无刷电机在具体工作电压下的具体转速。
转矩 (Nm)：电机中转子产生的可以用来带动机械负载的驱动力矩。
转速 (rpm)：电机每分钟的转速。
最大电流 (A)：可以承受并安全工作的最大电流。
极对数 Pp：转子上磁钢的数量除以 2，可以通过给任意两相通过小电压，手动旋转电机一周，感受阻力的次数就是极对数。如感到 6 次阻力，极对数就是 6。
相电感 LS (H)：电机静止时的定子绕组两端的电感为 LL, 相电感为其一半：
相电阻 RS (Ω)：万用表测电机两项电阻 RL，相电阻为其一半：
驱动方式
无刷电机一般通过 6 MOS 管组成的逆变电路进行驱动，通过上臂和下臂开关器件的组合，可以在定子上产生一个旋转磁场。
BLDC 三相逆变电路
通过图上的逆变电路，按照顺序依次导通，转子磁铁就能循环转动，每经过 6 次切换电流，转子转动一圈。这里展示的是导通两个桥臂的方式。
备注
上下桥臂不能同时导通，否则会短路，因此需要引入死区控制，来规避掉同一相的上下桥臂同时导通的情况。
导通上臂 |
导通下臂 |
相电流 A |
相电流 B |
相电流 C |
|---|---|---|---|---|
UH |
WL |
DC+ |
悬空 |
DC- |
UH |
VL |
DC+ |
DC- |
悬空 |
WH |
VL |
悬空 |
DC- |
DC+ |
WH |
UL |
DC- |
悬空 |
DC+ |
VH |
UL |
DC- |
DC+ |
悬空 |
VH |
WL |
悬空 |
DC+ |
DC- |
为了让电机旋转的速度可控，可以将施加在上臂的控制信号设置为 PWM 信号，并通过控制 PWM 的占空比来达到控制转速的作用。
BLDC PWM 速度控制
控制方式
在实际的电机控制中，需要获取转子位置，并计算出下一步导通的桥臂，这样才能让电机旋转起来。获取转子位置一般有两种方式，有感检测和无感检测。
有感霍尔
在无刷电机中，一般用 3 个开关型霍尔器件检测转子位置，安装位置一般相隔 120°。如下图所示
BLDC 霍尔传感器安装位置
当 N 极靠近霍尔 a 时，a 输出高电平 1，当 N 极远离 a 时，a 输出低电平。其他同理。那么当转子转动一圈，会产生下面的波形。
BLDC 霍尔传感器波形
通过解析霍尔传感器的输出，确定转子的当前位置。并使用 “二二导通” 法让电机旋转起来，但其存在如下缺点：
传感器价格昂贵，并且需要再制造期间将传感器安装在电机上，增加了安装与接线费用。
若传感器发生故障，则电机无法继续增长工作。
因此，基于无感检测的无刷电机控制方案成为了主流。
无感检测
在一些微小电机系统中，安装位置传感器对电机的体积和成本有不利影响。因此无传感器的位置检测也非常重要。无感控制策略主要包括反电势法、电感法、续流二极管法等。其中，反电动势法是应用最广、最成熟的方案之一。
反电动势
反电动势根据楞次定律，方向与提供绕组的主电压相反。反电动势的极性与励磁电压相反。反电动势主要取决于三个方向。
转子角速度
转子磁铁产生的磁场
定子绕组的匝数
对于电机来说，转子磁场和定子绕组的匝数都是固定的，那么在实际运转中，唯一决定反电动势的因素就是角速度，或者说转子转速。在每次换向时，都有一个绕组得正电，第二个得负电，第三个保持开路状态。
通过检测各相绕组的反电动势过零点，就能在一个电周期内得到转子的六个位置。非导通相的反电动势过零点延迟 30° 电角度就是换相点。
备注
在电机转速极慢的时候，反电动势的幅值很低，很难检测到过零点。
基于反电动势检测过零点有两种方式
基于 ADC 采样的无感方波电机控制 ADC 采样检测过零点
基于比较器检测的无感方波电机控制 比较器检测过零点
此外还有基于相电流采集的无感 FOC 方案
双电阻无感 FOC 方案（待更新）