无刷直流电机的PWM调制方式介绍

引言

BLDC(Brushless Direct Current)无刷直流电机已在家用电器、汽车、医疗、工业设备等领域被广泛使用，三相无刷直流电机是更主流产品。图1为三相无刷直流电机的驱动部分示意图，主要包括霍尔信息的采集，以及根据霍尔信号对三相逆变器做对应的调制，三相逆变器PWM的开关顺序已经PWM的占空比是调制的主要内容，不同的调制方式对BLDC的运行性能有很大影响，近年来随着电机控制系统越来越精细，在原来常见的方波120度脉宽调制基础上，正弦脉宽调制(SPWM)和空间矢量脉宽调制(SVPWM)出现，使电机脉动降低、电流波形畸变减小，但后两者的算法比较复杂，本文将对三种调制方式逐一地介绍其特性、原理及计算细节。安森美半导体LC08000M芯片集成这三种调制方式，适合应用在BLDC的驱动。

图1：三相无刷直流电机驱动示意图

1. 方波120度脉宽调制

利用霍尔值(每个电气周期6次变化)，改变UVW相电流流向，但同一霍尔值内电流流向不变，任何时刻只能一相的上桥和另一相的下桥导通，这种控制方式简单，但存在最大60度的转矩偏角，效率降低，同时会伴有转动噪音。

图： Hall状态与PWM、三相反电动势、三相电流的对应关系

在上桥下桥PWM开关控制顺序不同，我们可以做出下面5种模式的选装。

LC08000M为了减小在换相时转矩的波动，采用了PWM值过渡方式，这一处理能有效降低了转动噪音。

图3：LC08000M 方波120°脉宽调制的PWM与霍尔关系的对应图

图4：实测LC08000M方波120度脉宽调制的效果

2. 正弦脉宽调制(SPWM)

叠加在MOS管的直流电压可以通过PWM开关控制来等效成正弦电压，由于中性点为0，因此电机的相电压也为正弦，从而使得电机相线电流也成正弦变化规则，消除了转矩波动。根据面积等效原理，正弦波还可以等效成PWM波。如图5所示，通过这种方式我们不停的调整PWM的占空比来实现正弦电压效应。

图5：正弦波与PWM波的等效图

正弦脉宽调制需要知道ωt的详细值，而我们从霍尔元件只可以读取到60°120°180°240°360°这个6个大体的位置信息，所以我们需要从前几次霍尔值变化的间隔时间推算出60度内的内角度。在电机静启动情况下，我们无法推算出内角度信息，因此启动情况下，我们还是要采用方波120度脉宽调制方式启动，但电机得到一个稳定转动后，我们可以推算出内角度，就可以切换成正弦脉宽调制方式。

推算内角度方法：如图6-1首先计算出每个60°需要的时间，除以PWM周期的时间可以计算出60°内PWM的次数，从而得到60°内每增加1个PWM时内角度增加的值，在加上通过霍尔值对应的大角度值就得到当前的角度;UVW三相彼此相差120°相位。

图6-1

举例：PWM基本周期频率20KHz(50μs)，8极对电机，在转速2000r/m时，求角度变化值

1) 2000r/m*8 = 16000hall/m (每分钟的霍尔电气周期)

2)16000/60 = 266.67hall/s (每秒的霍尔电气周期)

3)1/266.67 = 3.75ms (每个霍尔周期需要的时间)

4)3.75ms/6 = 625μs (每60度需要的时间)

5)625μs/50μs = 12.5次 (每60度内PWM周期的次数)