本文還將介紹一些現成的商業(yè)解決方案，包括集成式電機驅動(dòng)器和控制器芯片等形式，這些方案可用于更加輕松地過(guò)渡到正弦控制并加快設計流程。

BLDC 電機基本原理

BLDC 電機通過(guò)反向電機設置消除了使用機械換向器的要求；繞組成為定子，永磁體成為轉子的一部分。繞組通常由使用脈沖寬度調制 (PWM) 控制的六 MOSFET 電橋供電，它們按照控制次序進(jìn)行轉向，產(chǎn)生旋轉磁場(chǎng)，從而“拖拽”圍繞它的轉子并驅動(dòng)相連的負載（圖 1）。

換向由轉子和定子的相對位置確定，具體則通過(guò)霍爾效應傳感器測量，或通過(guò)電機轉動(dòng)時(shí)生成的反電動(dòng)勢 (EMF) 幅度測量（限無(wú)傳感器電機）。

目前有三種電子換向控制方案：梯形、正弦和磁場(chǎng)定向控制 (FOC)。FOC 實(shí)現成本高，專(zhuān)用于高端應用，因此本文不做討論。

對于許多應用，梯形控制的 BLDC 電機是最佳解決方案。這類(lèi)電機結構緊湊、性能可靠，且價(jià)格也在迅速下降，因此尤其適合許多小型電機應用，包括汽車(chē)、白色家電和計算機。

此外，梯形技術(shù)最容易實(shí)現，因此也最受歡迎。電機每相由直流供電，每 60˚ 進(jìn)行換向。相位驅動(dòng)為“高”、“低”或保持浮動(dòng)狀態(tài)。

理論上，這樣的系統可產(chǎn)生平滑、恒定扭矩。實(shí)際上，特定相位的電流不可能瞬間由低轉為高。相反，所導致的上升時(shí)間在輸出中生成與轉向定時(shí)一致的波紋（圖 2）。

轉矩波動(dòng)不是梯形控制 BLDC 電機的唯一缺點(diǎn)。另一個(gè)缺點(diǎn)是電氣和聲學(xué)噪聲。一個(gè)重要的噪聲來(lái)源就是為每個(gè)相位供電的快速切換直流電流。從電氣角度來(lái)說(shuō)，這種噪聲會(huì )加熱繞組并降低效能。從聲學(xué)角度來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)頻率及其諧波產(chǎn)生的“嗡嗡”聲音頻率雖然不是很大，但十分刺耳。

實(shí)施正弦控制

正弦控制十分復雜，很少有工程師可以?xún)H借用基本原理就實(shí)現系統。一個(gè)更好的方法就是利用芯片供應商的知識 BLDC 電機設計開(kāi)發(fā)套件。NXP 的 FRDM-KE04Z 就是一個(gè)例子。

它利用 Kinetis KE04 ARM® Cortex®-M0 MCU 運行正弦算法。由于控制電路設計基于一種普通的 BLDC 驅動(dòng)器芯片，因此進(jìn)一步減輕了實(shí)現難度。這些設備通常將 PWM 控制和電力電子器件集成到一個(gè)芯片，并提供外部 MCU 的接口。其他設備集成 MCU，僅需一些額外的無(wú)源元器件就可以形成完整電路。

正弦替代方式：“鞍形”圖

實(shí)踐中極少使用純正弦驅動(dòng)電壓，因為相對于接地而言，為每個(gè)電機端子生成電壓的效率很低。一個(gè)更好的方法就是在相位間生成正弦差分電壓，相位偏移 120˚ 進(jìn)行換向。實(shí)現方式是通過(guò)使用“鞍形”圖（而不是正弦）改變相對于接地的 PWM 占空比（以及驅動(dòng)電壓）（圖 3）。隨后，驅動(dòng)電機的相電流就遵循相間電壓的純正弦波變化。

鞍形圖方法有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：第一，所產(chǎn)生的最大差分電壓要高于純正弦信號所能產(chǎn)生的電壓，因而給定輸入的扭矩和速度也更大。第二，每個(gè)端子 1/3 時(shí)間輸出為零，進(jìn)一步減少了功率級中的開(kāi)關(guān)損耗。

正弦控制方法的一個(gè)復雜之處在于：根據形成鞍形電壓輸入所必需的電機角度來(lái)精確控制占空比。這在高速旋轉時(shí)甚至變得更加困難。挑戰主要在于每轉只能精確確定電機位置六次，而轉子的其中一個(gè)磁極經(jīng)過(guò)三個(gè)霍爾傳感器中的一個(gè)。例如，FRDM-KE04Z 常用的解決方案是將電機角速度乘以 ∂T 并假定電機速度恒定，從而估算霍爾傳感器之間的電機角度 (“mtrAngle”)。

然后使用查詢(xún)表確定特定角度的 PWM 占空比。在 FRDM-KE04Z 中，查詢(xún)表為電機旋轉的每個(gè)角度（實(shí)際 384 個(gè)增量）提供占空比。

此類(lèi)方法利用了使用鞍形圖的附帶影響。特別說(shuō)明：由于特定相位的電壓值在三分之一時(shí)間內為零，這段時(shí)間不需要查詢(xún)，因而需要的處理器資源更少，并允許在應用中使用更普通的低成本 MCU。

這種方法的缺點(diǎn)是啟動(dòng)階段電機快速加速時(shí)，霍爾傳感器之間的電機速度插值很可能不精確。這會(huì )導致扭矩響應不平穩。

針對這一問(wèn)題，ROHM Semiconductor 的 BD62011FS 風(fēng)扇電機控制器采用的一種常見(jiàn)解決方案是：以梯形控制模式啟動(dòng)電機，在達到特定速度（通常 5 - 100 Hz）后切換到正弦控制，此時(shí)插值的精確度更高。

Rohm 的設備主要針對配備霍爾傳感器的 BLDC 電機的控制。芯片采用高壓側和低壓側 MOSFET 的 PWM 控制和正弦換向邏輯。它可在 10 到 18 V 輸入范圍內運行，并提供介于 2.1 和 5.4 V（最高 1 W）的輸出范圍。目標應用包括空調、水泵和白色家電。

另一個(gè)設計挑戰是給定相位驅動(dòng)電壓和產(chǎn)生的正弦波電流之間的相位延遲，通常發(fā)生于非補償型 BLDC 電機。電機可正常運行，但效能將降低，這會(huì )首先挫敗實(shí)現正弦控制方案的目標。這種效能低下的原因不是驅動(dòng)電壓和相位電流之間的相位延遲，而是相位電流和正弦反電動(dòng)勢之間的相位延遲。

幸運的是，許多驅動(dòng)芯片，包括 ON Semiconductor 的 LV8811G 功率 MOSFET 驅動(dòng)器，允許設計人員在正弦驅動(dòng)電流中引入超前相角，從而確保其峰值與反電動(dòng)勢的峰值一致。超前相角通常設為隨輸入電壓線(xiàn)性增加，而電壓決定電機速度（圖 4）。

LV8811G 是三相 BLDC 電機驅動(dòng)器，由單個(gè)霍爾傳感器控制并采用正弦控制。直接 PWM 脈沖輸入或直流電壓輸入都可用于控制電機轉速。

使用 LV118811G 時(shí)，設計人員可通過(guò)引腳 PH1 和 PH2 上的分壓電阻器來(lái)設置初始條件：相角開(kāi)始超前的速度和超前相角斜坡的梯度。之后芯片的內部邏輯根據預定公式確定給定速度的超前相角。

無(wú)傳感器 BLDC 正弦控制

正弦控制還可通過(guò)無(wú)傳感器的 BLDC 電機實(shí)現。這些電機的運行方式與使用霍爾效應傳感器的電機相似，除了位置信息是通過(guò)測量反電動(dòng)勢獲得。

例如，Texas Instruments 的 DRV10983 就是設計用于無(wú)傳感器的 BLDC 電機的正弦控制。芯片集成電力電子器件，可以連接外部 MCU 并提供高達 2 A 的連續驅動(dòng)電流。正弦控制通過(guò)使用公司的專(zhuān)有控制方案來(lái)實(shí)現。

在該方案中，換向控制算法連續測量電機相電流并定期測量供電電壓。然后，設備使用該信息計算反電動(dòng)勢和電機位置。電機速度由單位時(shí)間內一個(gè)相位的反電動(dòng)勢的過(guò)零次數確定。芯片還允許超前相角，以調整相電流和反電動(dòng)勢，從而實(shí)現最大效能。

DRV10983 是專(zhuān)門(mén)設計用于成本敏感、低噪聲、低外部元器件計數的應用（圖 5）。

總結

BLDC 電機由于性能和可靠性的優(yōu)勢，正逐漸成為傳統有刷型電機的替代產(chǎn)品。對于許多應用，梯形控制可滿(mǎn)足使用預期，但如果設計人員的任務(wù)是提高效能、減少電氣和聲學(xué)噪聲并提高扭矩傳遞，則應考慮正弦控制。

雖然正弦控制增加了復雜度和成本，但開(kāi)發(fā)工具、功能性 MCU 以及集成驅動(dòng)器 IC 已大大簡(jiǎn)化了設計流程，使正弦控制更加實(shí)用簡(jiǎn)單。不僅如此，開(kāi)發(fā)工具的靈活性和驅動(dòng)器 IC 的適應性使設計人員能夠精調應用的電機，并更多關(guān)注產(chǎn)品差異化方面。