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无刷直流电机（BLDC）六步换向法

article 2025/1/7 11:23:52

文章目录

1、三相BLDCM 基本结构
2、三相BLDCM 数学模型
3、有霍尔位置传感器直流无刷电机工作原理
4、无位置传感器直流无刷电机工作原理
5、速度检测
6、六步换向双闭环模型仿真
- 6.1 模型总览
- 6.2 系统及参数设置
- 6.3 六步换向模块
- 6.4 仿真效果
7、六步换向速度闭环PWM控制
参考

1、三相BLDCM 基本结构

与直流有刷电机类似，直流无刷电机也主要由定子和转子组成，不过其具体构成略有不同，因此其数学模型与直流有刷电机相比也存在差异，下面分别对三相直流无刷电机的基本结构和数学模型进行详细分析。
直流无刷电机将有刷电机的机械式换向器替换为电子换相电路，因此电机内部结构与直流有刷电机不同。直流有刷电机定子为磁体，转子为线圈，而直流无刷电机转子为永磁体，定子为线圈绕组。其中定子部分由定子铁芯和定子绕组构成，转子由转子铁芯、永磁体、轴承和转轴组成。根据转子和定子构造的不同，可分为内转子型和外转子型如下图所示。内转子型转子永磁体在电机内部，容易平衡，转动惯量小，控制性能较好，容易实现高转速，但转矩一般较小；外转子型结构与内转子相反，线圈绕组在电机内部，转子永磁体在外部，直径大，力臂长，转动惯量大，但不易实现较高转速。
在这里插入图片描述

我的原文在语雀写的，该图应该是一个动图的，后续我会开放地址。

2、三相BLDCM 数学模型

在这里插入图片描述

3、有霍尔位置传感器直流无刷电机工作原理

在这里插入图片描述

4、无位置传感器直流无刷电机工作原理

在这里插入图片描述

无感FOC的开环切闭环运行
开环运行

闭环运行

5、速度检测

在这里插入图片描述

6、六步换向双闭环模型仿真

在这里插入图片描述

6.1 模型总览

在这里插入图片描述
模型下载地址：无刷直流电机（BLDC）六步换向双闭环（速度、电流）控制simulink仿真模型

6.2 系统及参数设置

电机
在这里插入图片描述

速度环PI

电流环PI

参考速度

6.3 六步换向模块

在这里插入图片描述

function [hu,lu,hv,lv,hw,lw] = Commutation(ha,hb,hc)
% Function to compute commutation signals based on the sector

% Initializing variables
hu=0;
lu=0;
hv=0;
lv=0;
hw=0;
lw=0;

% Determining the sector based on input signals ha, hb, and hc
state=ha*4+hb*2+hc;

% Using switch-case for better readability and efficiency
switch state
    case 5
        % state 5
        hu=1;
        lv=1;
    case 4
        % state 4
        hu=1;
        lw=1;
    case 6
        % state 6
        hv=1;
        lw=1;
    case 2
        % state 2
        lu=1;
        hv=1;
    case 3
        % state 3
        lu=1;
        hw=1;
    case 1
        % state 1
        lv=1;
        hw=1;
end
end

6.4 仿真效果

给定速度与反馈速度
在这里插入图片描述
HALL信号

相电流

角度

六步换向双闭环系统是通过调节受控源电压来实现调速，该模型可实现正反转切换。

7、六步换向速度闭环PWM控制

在这里插入图片描述
使用HALL状态来生成开关序列

使用转子位置生成开关序列

这里使用MathWorks官方提供的仿真模型，下载地址：
https://github.com/mathworks/Design-motor-controllers-with-Simscape-Electrical
模型总览

速度误差通过PI控制器得到占空比
在这里插入图片描述
注意：第一运行模型会报错，最好将积分饱和下限改为0
根据转子位置判断扇区

步换向逻辑

里通过PWM的高低电平去切换开关序列，50%（0.5）的占空比为判断中值。
相电压波形

相电流波形

速度反馈及速度给定波形
在这里插入图片描述

参考

【1】张浩军. 无刷直流电机无位置传感器驱动系统研究与设计[D].华中科技大学,2022.DOI:10.27157/d.cnki.ghzku.2022.004467.
【2】鲜大帅. 三相BLDCM无位置传感器控制芯片研究与设计[D].西安科技大学,2022.DOI:10.27397/d.cnki.gxaku.2022.000851.
【3】BLDC方波控制双闭环Simulink仿真模型：
https://blog.csdn.net/m0_57458432/article/details/126321391?ops_request_misc=%257B%2522request%255Fid%2522%253A%2522171238473916777224494970%2522%252C%2522scm%2522%253A%252220140713.130102334.pc%255Fall.%2522%257D&request_id=171238473916777224494970&biz_id=0&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2_allfirst_rank_ecpm_v1~rank_v31_ecpm-9-126321391-null-null.142^v100pc_search_result_base5&utm_term=%E5%85%AD%E6%AD%A5%E6%8D%A2%E5%90%91%20bldc%20simulink&spm=1018.2226.3001.4187
【4】【未来的动力】BLDC的六步法&PMSM的FOC法综合：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/449412789
【5】野火无刷直流STM32原理及实现
https://doc.embedfire.com/motor/motor_tutorial/zh/latest/basis_part/brushless_DC_motor.html#id7
【6】Six Step Commutation：
https://ww2.mathworks.cn/help/mcb/ref/sixstepcommutation.html
【7】BLDC电机控制（Mathworks网站）
https://ww2.mathworks.cn/discovery/bldc-motor-control.html
【8】Simulink —— BLDC基础及六步转速控制模型：
https://blog.csdn.net/zh471021698/article/details/104485757
【9】【电机控制算法】基于霍尔位置传感器(HALL)估算连续电角度（基于STM32F407+CubeMX+HAL）：
https://blog.csdn.net/csol1607408930/article/details/129410150
【10】DSP霍尔FOC 角度解析
https://www.cnblogs.com/bailongwei654321/p/15157322.html
【11】李蓬威. 采用开关霍尔的永磁同步电机矢量控制转子位置估计方法研究[D].重庆大学,2022.DOI:10.27670/d.cnki.gcqdu.2020.004116.
【12】左艺鸣. 基于霍尔位置传感器无刷直流电机控制系统研究[D].中国矿业大学,2021.DOI:10.27623/d.cnki.gzkyu.2020.002628.
【13】陈长青. 基于霍尔位置传感器及其偏差校正的PMSM矢量控制系统[D].哈尔滨工业大学,2022.DOI:10.27061/d.cnki.ghgdu.2021.003273.
【14】ADC-过零检测详解：
https://www.cnblogs.com/wchmcu/p/17815347.html