無刷直流電機的PWM調制方式介紹

引言

BLDC（Brushless Direct Current）無刷直流電機已在家用電器、汽車、醫療、工業設備等領域被廣泛使用，三相無刷直流電機是更主流產品。圖1為三相無刷直流電機的驅動部分示意圖，主要包括霍爾信息的采集，以及根據霍爾信號對三相逆變器做對應的調制，三相逆變器PWM的開關順序已經PWM的占空比是調制的主要內容，不同的調制方式對BLDC的運行性能有很大影響，近年來隨著電機控制系統越來越精細，在原來常見的方波120度脈寬調制基礎上，正弦脈寬調制（SPWM）和空間矢量脈寬調制（SVPWM）出現，使電機脈動降低、電流波形畸變減小，但后兩者的算法比較復雜，本文將對三種調制方式逐一地介紹其特性、原理及計算細節。安森美半導體LC08000M芯片集成這三種調制方式，適合應用在BLDC的驅動。


圖1：三相無刷直流電機驅動示意圖

1. 方波120度脈寬調制

利用霍爾值（每個電氣周期6次變化），改變UVW相電流流向，但同一霍爾值內電流流向不變，任何時刻只能一相的上橋和另一相的下橋導通，這種控制方式簡單，但存在最大60度的轉矩偏角，效率降低，同時會伴有轉動噪音。


圖： Hall狀態與PWM、三相反電動勢、三相電流的對應關系

在上橋下橋PWM開關控制順序不同，我們可以做出下面5種模式的選裝。



LC08000M為了減小在換相時轉矩的波動，采用了PWM值過渡方式，這一處理能有效降低了轉動噪音。


圖3：LC08000M 方波120°脈寬調制的PWM與霍爾關系的對應圖


圖4：實測LC08000M方波120度脈寬調制的效果

2. 正弦脈寬調制（SPWM）

疊加在MOS管的直流電壓可以通過PWM開關控制來等效成正弦電壓，由于中性點為0，因此電機的相電壓也為正弦，從而使得電機相線電流也成正弦變化規則，消除了轉矩波動。根據面積等效原理，正弦波還可以等效成PWM波。如圖5所示，通過這種方式我們不停的調整PWM的占空比來實現正弦電壓效應。