【導(dǎo)讀】在無刷直流電機BLDC控制里，無論對于帶傳感器還是無傳感器電機，經(jīng)常會用到超前角/導(dǎo)通角（Lead Angle）。因為電機線圈是感性負載，所以相對于線圈上的加載電壓，線圈里的電流會有一定的時延，這會影響電機的效率和產(chǎn)生噪音震動等。
對于BLDC的梯形波/方波控制，調(diào)試并選取合適的超前角能在不改變基本控制算法的情況下，明顯提升電機控制的效率和震動噪音水平。特別對于帶傳感器電機，控制時序里的超前角相當(dāng)于調(diào)整電機內(nèi)部的傳感器位置，從而通過用簡單易行的軟件方法實現(xiàn)等同于以不方便或困難的方式調(diào)整傳感器物理位置的效果。
1、三相BLDC控制原理（梯形波）
下圖表示了無刷電機梯形波控制算法的基本原理。首先，交流電整流為直流電壓，后級為變頻部分（inverter），包含6個開關(guān)器件（FET）：上橋臂的U、V、W和下橋臂的X、Y、Z。
按照一定順序控制這些FET開關(guān)器件，比如：
1：U->Y
2：U->Z
3：V->Z
4：V->X
5：W->X
6：W->Y（假定電機方向為正轉(zhuǎn)）
那么電流會按照下面的順序流過電機線圈：
1：U相到V相（U->V）
2：U相到W相（U->W）
3：V相到W相（V->W）
4：V相到U相（V->U）
5：W相到U相（W->U）
6：W相到V相（W->V）
共6步，如此循環(huán)。（如圖1所示）
圖1
同理，若電機方向為反轉(zhuǎn)，則開關(guān)順序為：
1：U->Z
2：U->Y
3：W->Y
4：W->X
5：V->X
6：V->Z
這就是無刷電機BLDC的梯形波/方波控制算法。
2、三相BLDC控制時序
無刷電機的控制時序依賴于電機轉(zhuǎn)子位置，為方便說明超前角/導(dǎo)通角，這里以帶霍爾傳感器的電機為例。按照霍爾芯片的位置判斷，反饋應(yīng)為中斷。每檢測到一個有效的霍爾位置信號編碼（Pattern），就開始換相到下一步，然后接著開始檢測下一次的位置反饋中斷。如下圖2。按照上述6步不斷換相的順序：
1：U->V
2：U->W
3：V->W
4：V->U
5：W->U
6：W->V
再循環(huán)往復(fù)。
圖2
在每次檢測到霍爾位置Pattern時，換相并輸出對應(yīng)的脈寬調(diào)制（PWM - Pulse Width Modulation）Pattern。之后，對位置反饋信號開始采樣監(jiān)控，直到再次檢測到有效的霍爾位置Pattern。
圖中PWM開關(guān)信號（U~Z）中的黑色區(qū)塊為有效電平，內(nèi)含PWM載波（從幾K到幾十KHz，Duty可變）。圖中的相電壓（U相~W相）中的黑色窄柱狀波形是在此換相時刻（從此一步切換到下一步PWM Pattern），由于續(xù)流等原因（電機線圈的電感）造成的換相電壓跳變。
3、超前角
在無刷直流電機（BLDC - BrushLess DC）控制里經(jīng)常會用到Lead Angle，即超前角/導(dǎo)通角。因為電機線圈是感性負載，所以相對于線圈上的加載電壓，線圈里的電流會有一定的時延，從而影響電機的效率和產(chǎn)生噪音。以電機U相電壓舉例，把上圖PWM信號U、X和U相電壓波形放大，如下圖。其中U相展開可看到實際電壓波形，內(nèi)含PWM載波。忽略PWM載波看包絡(luò)圖，如下圖3最下面波形所示。
圖3：U相展開時實際的電壓波形
這里，綠色虛線處是換相點，定義為超前角/導(dǎo)通角0度點。該點位于相電壓中點右邊（后邊）30度。而Lead Angle超前角/導(dǎo)通角，顧名思義就是從超前角0度往左（往前）提前多少度。
一般來說，特別是無刷電機BLDC梯形波控制算法，在電機高轉(zhuǎn)速情況下，需要在每個換相點前對6個PWM輸入信號（U~Z）插入一定的Lead Angle超前角/導(dǎo)通角，圖4是不同超前角/導(dǎo)通角，從0度、7.5度、15度到30度，所分別對應(yīng)的輸入信號。
圖4
超前角/導(dǎo)通角的調(diào)試取決于電機本身參數(shù)、電機電壓以及電機轉(zhuǎn)速等。一般從經(jīng)驗來說，對于相同電機，在給定的電壓下，電機的轉(zhuǎn)速越高，那么就需要更高的超前角/導(dǎo)通角。調(diào)試合適的Lead Angle的關(guān)鍵方法就是在電機帶負載情況下，在感興趣的工作轉(zhuǎn)速（或范圍）下找出電機效率最高（輸出功率/輸入功率）、電機噪音和震動最小的情況。
對于帶霍爾傳感器的電機來說，調(diào)整霍爾傳感器的物理位置（對應(yīng)到電子角度）也能起到類似效果。而一般來說，霍爾傳感器位于電機內(nèi)的PCB板上，不太容易調(diào)整。反過來說，通過調(diào)整Lead Angle超前角/導(dǎo)通角，只要對應(yīng)好物理角度和電子角度（取決于電機轉(zhuǎn)子的極對數(shù)）關(guān)系，也能起到類似修正電機內(nèi)部霍爾傳感器物理位置的作用，從而通過簡單易行的軟件方式（超前角/導(dǎo)通角的調(diào)整）實現(xiàn)等同于以不方便或復(fù)雜的方式調(diào)整傳感器物理位置的效果。
推薦閱讀：
