在本文第一部分了解了 BLDC 電機的結構和基本工作原理后，了解可用于電機可靠運行和保護的電機控制選項變得很重要。根據所服務的功能，電機控制可分為以下類別：

· 速度控制

· 扭矩控制

· 電機保護

實現(xiàn)這些控制功能需要監(jiān)控一個或多個電機參數，然后采取相應的措施來實現(xiàn)所需的功能。在深入了解這些控制功能實現(xiàn)的細節(jié)之前，了解建立電機旋轉或建立換向所需的邏輯和硬件的實現(xiàn)非常重要。

換向實施

如本文前面部分所述，根據電機的位置(使用反饋傳感器識別)，三個電氣繞組中的兩個一次通電。為了能夠為繞組通電，需要外部電路能夠滿足電機的電流要求。三相繞組連接的典型控制電路如圖 1 所示。V1、V3、V5 和 V2、V4、V6 構成一個跨接電源的三相電壓源逆變器。V1 和 V4 形成一個橋。V1 為高壓側，連接到高壓直流電源，而 V4 為低壓側，連接到地。

通過調節(jié)功率器件的高邊和低邊(通過信號 V1H、V3H、V5H 和 V2L、V4L、v6L)，可以控制流過定子繞組的電流。例如，如果電流必須流入RED繞組并從BLUE繞組流出，打開V1和V6同時保持其他信號將導致電流沿所需方向流動，如圖2(A)所示. 接下來，通過打開 V5 和 V6 并關閉所有其他信號，電流可以切換為從綠色繞組流入和從藍色繞組流出，如圖 2 (B) 所示。

按照相同的程序，可以生成 BLDC 電機的 6 步驅動序列。表 1 提供了基于霍爾傳感器輸出的電源電路的開關順序。

但是，如果必須顛倒旋轉，則也需要顛倒順序。圖 3 顯示了勵磁波形，包括相電流、相電壓、霍爾傳感器和扇區(qū)值。上半部分為三相繞組勵磁電流和電壓，其中黑線為相電流，綠、紅、藍線為相電壓。由于相電流是梯形的，我們稱之為 6 步 BLDC 控制梯形控制。

霍爾傳感器和激勵有固定的關系。通常，有兩種類型的霍爾傳感器。對于第一種類型，對于每個霍爾相位，它們的波形都有 60 度的延時。對于第二種類型，波形延時為 120 度。

對換向有了基本的了解，現(xiàn)在讓我們切換到控制功能的實現(xiàn)，這對任何電機設計都至關重要。

速度控制

遵循給定順序的換向順序有助于確保電機的正確旋轉。因此，電機速度取決于所施加電壓的幅度。通過使用脈沖寬度調制 (PWM) 來調整施加信號的幅度。圖 4 顯示了各種功率器件的開關信號。

從上圖中可以看出，高端晶體管是使用 PWM 驅動的。通過控制 PWM 信號的占空比，可以控制施加電壓的幅度，進而控制電機的速度。為了能夠平穩(wěn)地達到所需的速度，PI 控制回路的實施如圖 5 所示。

所需速度與實際速度之間的差值輸入 PI 控制器，然后根據實際速度與所需速度之間的差值獲得的誤差信號調制 PWM 的占空比。

扭矩控制

扭矩控制在各種應用中很重要，在這些應用中，在給定的時間點，無論電機運行的負載和速度如何變化，電機都需要提供特定的扭矩。扭矩可以通過調整磁通量來控制，但是磁通量計算需要復雜的邏輯。然而，磁通量取決于流過繞組的電流。因此，通過控制電流，可以控制電機的轉矩。

圖 6 顯示了轉矩控制實現(xiàn)邏輯。通過保持流過繞組的電流，可以控制轉矩?？梢詫嵤╊愃朴谟糜诳刂扑俣鹊?PI 環(huán)，以使轉矩響應曲線隨著負載的變化而變得平滑。

電機保護

在電機控制設計中，具有保護邏輯以確保系統(tǒng)安全運行非常重要。例如，當電機卡住時，通過繞組的電流會累積到非常高的水平，這會燒毀驅動電機的功率器件。

峰值電流 -這是為了安全運行而允許流過繞組的最大瞬時電流。這種情況發(fā)生在短路的情況下。只要電流超過峰值電流限制，就會應用硬件保護來終止 PWM 輸出。

最大工作電流 - 這是電機停轉或過載時的最大輸出電流。該電流可由應用固件控制。該邏輯的實現(xiàn)類似于轉矩控制。

欠壓 - 當系統(tǒng)使用電池運行時，如果電池電壓低于特定限制，則切斷電源變得很重要。由于電壓下降是一個緩慢的過程，因此可以通過固件進行控制。

霍爾傳感器故障 ——在基于傳感器的 BLDC 電機中，電機的旋轉完全基于從霍爾傳感器獲得的反饋。因此，在霍爾傳感器發(fā)生故障的情況下，換向順序將中斷，這可能導致 BLDC 電機卡住，并且電流上升到特定限制之上?；魻杺鞲衅鞴收峡梢栽诠碳型ㄟ^檢查霍爾傳感器信號是否改變其邏輯電平來檢測。如果它卡在特定水平，則可以將其檢測為故障，并且可以斷開電機驅動器，使其慣性運行或通過應用制動器停止。要采取的行動取決于設計的要求。

市場上有可以進行 BLDC 電機控制的控制器。隨著片上系統(tǒng) (SOC) 控制器的出現(xiàn)，用于實現(xiàn) BLDC 電機控制的完整控制邏輯可以在單個器件中實現(xiàn)。這不僅有助于降低成本，而且這種集成提供了靈活性，使設計人員能夠根據特定應用的要求管理系統(tǒng)控制。

圖 7 顯示了使用賽普拉斯的旗艦控制器可編程片上系統(tǒng) (PSoC) – CY8C24533 的電機控制系統(tǒng)設計。在這個使用霍爾傳感器輸入的設計中，換向順序是通過產生 PWM 信號來控制的。該器件具有內置 ADC、放大器 (PGA) 和比較器 (CMP)，用于測量電壓和電流，以實現(xiàn)速度和轉矩控制。PI 控制環(huán)在固件中實現(xiàn)以在 CPU 上執(zhí)行。對于過流保護，比較器 (CMP) 用于在過流的情況下終止 PWM 輸出。器件內部可用的 CMP 模塊提供內部可編程閾值電壓，用于適應寬電流范圍內的電機。