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。[page]

 
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）

6）60°/12.5=4.8° （每个PWM周期增加的角度值）

 
图6-2

然后通过查询代码中内置的sin函数值，在叠加上力矩输出要求的百分比，这样我们可以在每次PWM周期结束后立即修改PWM的占空比，使其得到正弦脉宽调制方式。

LC08000M芯片有正弦脉宽调制（SPWM）功能，并且内部集成了上面的软件计算部分。

 
图7：实测LC08000M正弦脉宽调制（SPWM）的效果

3. 空间矢量脉宽调制（SVPWM）

与SPWM不同，SVPWM施加在电机端线上电压并非等效正弦波电压，此时电机中心点电压并非为0，但电机相电压仍然为等效正弦，从而使得电机相线电流也成正弦变化规则。

三相全桥逆变器共8种开关模式，分别对应八个基本电压空间矢量U0~U7，U0和U7为零矢量，位于原点。其余6个非零矢量幅值相同，相邻矢量间隔60°。根据非零矢量所在位置将空间划分为六个扇区。空间矢量脉宽调制就是利用U0~U7的不同组合，组成幅值相同、相位不同的参考电压矢量Uref，从而使矢量轨迹尽可能逼近基准圆。[page]

 
图8：基本空间矢量在空间的分布

图9为参考电压在第一扇区，有两个非零矢量U1U2和零矢量合成，当参考电压进入下一个扇区，采用新的相邻两个矢量与零矢量进行合成。基于矢量合成规则，在符合T1+T2 <= Tpwm条件下，并要求任意角度下V1和V2都能合成出的矢量，所以Uref_max=√3/2 Udc。调制度M=Uref/(Uref_max)=Uref/(√3/2 Udc)

 
图9：参考电压在第一扇区矢量合成方法  

有三角正弦定理可知：  

θ角度的推算和前面SPWM里的方法是一样的。为了减少三角函数计算同样采用代码内置Sin三角函数表为了获得最佳的谐波性能和最小开关损耗，目前主要有7段式和5段式空间矢量合成方法。

 

对比7段式和5段式可知，两者在零矢量的分配上存在很大的区别，单个PWM周期内，5段式方法将零矢量集中插入在中间，转矩脉动大，在低频时会导致明显的走走停停不平稳现象，而7段式方法中零矢量的一半被插入在PWM周期的中间，另一半插入在PWM周期的两边，这样可以使得磁链的运转更加平稳，减少电机转矩的脉动，使得低频时特性明显好于5段式，高频时特性差异不大。但5段式方法中每个PWM周期中，总有一相桥臂的开关管状态不需要改变，而在7段式方法中，每一相桥臂的开关管都需要开关各一次，5段式比7段式开关次数减少1/3，所以5段式的开关功耗是最小的。综合来说在PWM周期达到10KHz以上，5段式更加合适。

举例：角度θ=30°，力矩百分比M=50%，PWM频率20KHz，求三相各PWM的占空比。 

LC08000M芯片有空间矢量脉宽调制（SVPWM）功能，同样内部集成了复杂计算功能，采用5段式矢量合成方式，使开关损耗最小。

 
图12：实测LC08000M空间矢量脉宽调制（SVPWM）的效果

小结

LC08000M集成方波120度脉宽调制、正弦脉宽调制、空间矢量脉宽调制三种模式，客户可以自由选择，芯片内部集成模式需要的计算部分，而且具有速度和电流的双闭环功能，同时具备电流电压保护功能，为客户的设计带了很大简化，非常适合BLDC驱动方案的应用。