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三相无刷电机与六步换相

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上一篇讨论了电机产生转矩的基本过程:载流导体在磁场中受力,两侧导体组成力偶;电流决定电磁转矩,转速又通过反电动势影响电流。有刷直流电机依靠电刷与换向器,在转子经过合适位置时自动改变绕组电流方向,于是外部只要调节电枢电流,就能获得方向稳定的平均转矩。

文章最后留下了一个问题:如果取消电刷和换向器,谁来判断转子走到了哪里,又由谁把电流切换到合适的绕组?

这正是三相无刷电机驱动的起点。机械换向器完成的工作不会消失,它会被拆到三相绕组、位置检测、控制算法和功率开关之中。沿着这条线走下去,六步换相便不再是一张需要背诵的开关表,而是一种很自然的电子换相方法。

电机学分析通常还会多追问一层:定子电流在气隙中建立了怎样的磁动势,转子永磁体产生的磁链怎样经过绕组,端电压又如何改变这些电流。把这三层关系放回文章,便能看清六步换相究竟简化了什么,又付出了怎样的转矩与噪声代价。

1. 换向任务去了哪里

在有刷直流电机中,电枢绕组随转子旋转。固定电刷与旋转换向片的接触关系同时完成三件事:感知转子的几何位置、选择当前参与工作的线圈、决定线圈中的电流方向。

无刷电机交换了永磁体与绕组的位置。永磁体来到转子上,绕组固定在定子槽内。绕组不再经过滑动触点,散热路径更直接,转子结构也更适合高转速和长时间工作;与此同时,机械换向器提供的位置相关接线关系也被一并移除了。

从电机内部看,一相绕组通常也不只是一只孤立线圈。许多线圈边分布在若干定子槽中,按照规定的节距和连接方向串并联成一个相绕组。铁心把线圈产生的磁通引向气隙,叠片结构则抑制交变磁场引起的涡流。示意图中画出的 A、B、C 三根“相轴”,表达的是各相绕组气隙磁动势的基波方向,并不等同于某一根导线或某一个槽的位置。

转子永磁体提供一组随转子旋转的磁链,定子电流提供另一组可由驱动器调节的磁动势。两组磁场以相同速度旋转并保持适当的空间夹角时,电机产生稳定平均转矩。因此,永磁无刷电机本质上是一台同步电机:定子磁场必须跟随转子电角度推进;若二者的相对角度失去控制,电机就会转矩下降、振荡,甚至失步停转。

有刷电机由电刷和换向器随转子位置改变电枢电流,无刷电机则由位置检测、控制逻辑和功率开关完成同一换向任务

电子系统因此需要重新实现那三项功能:

  1. 用霍尔传感器、编码器或估算器获得转子位置;
  2. 根据转子位置决定此刻需要建立哪个方向的定子磁场;
  3. 用功率半导体改变绕组的通电组合与电流大小。

第三项可以由功率开关完成,第二项却先提出了一个结构问题:绕组固定以后,怎样让定子磁场继续围绕转轴转动?

2. 为什么需要三相绕组

先想象定子上只有一组绕组。它通入正电流时,沿自身轴线建立一个方向的磁场;电流反向后,磁场也沿同一轴线翻转。无论怎样改变电流,这根磁场轴都不会离开原来的直线。

这样的磁场可以吸引转子对齐,却难以自行决定连续旋转的方向。用电机学中常见的空间基波近似,令气隙圆周位置为 α\alpha,A 相绕组的磁动势可写成:

FA(α,t)=FmiA(t)cosαF_A(\alpha,t)=F_m i_A(t)\cos\alpha

若通入 iA=Icosωti_A=I\cos\omega t,利用积化和差关系可得:

FA(α,t)=FmI2[cos(αωt)+cos(α+ωt)]F_A(\alpha,t)=\frac{F_mI}{2} \left[\cos(\alpha-\omega t)+\cos(\alpha+\omega t)\right]

一个沿固定轴脉动的磁场,可以看成两个幅值相等、方向相反的旋转磁场。二者没有天然的优先方向,这就是单相结构无法仅凭对称激励可靠决定启动方向的根源。

若在定子圆周上再放置几组方向不同的绕组,情况就改变了:每组绕组仍然只沿自己的轴线产生磁场,多个磁场叠加后,合成方向却可以在平面内移动。

单组绕组只能沿固定轴建立正反两个方向的磁场,三组相隔一百二十电角度的绕组可以合成围绕转轴移动的定子磁场

三相电机把 A、B、C 三相的磁场轴在电角度上错开 120120^\circ。若三相通入对称的正弦电流:

iA=IcosθsiB=Icos(θs2π3)iC=Icos(θs+2π3)\begin{aligned} i_A &= I\cos\theta_s \\ i_B &= I\cos\left(\theta_s-\frac{2\pi}{3}\right) \\ i_C &= I\cos\left(\theta_s+\frac{2\pi}{3}\right) \end{aligned}

三个沿固定相轴的磁场分量会合成为一个幅值近似恒定、方向随 θs\theta_s 连续旋转的磁场。这里最重要的变化,是定子磁场终于拥有了平面内的大小方向两个自由度。

在绕组对称、只保留空间基波的理想条件下,三相磁动势相加后可整理成:

Fs(α,t)=32FmIcos(αθs)F_s(\alpha,t)=\frac{3}{2}F_mI\cos(\alpha-\theta_s)

公式右侧只有一个沿正方向旋转的行波,反方向分量在三相叠加时相互抵消;系数 3/23/2 也说明合成磁动势的幅值保持不变。真实电机还会存在槽谐波、绕组分布谐波和磁饱和,因此气隙磁场不会是完美正弦,但这个基波模型已经抓住了三相电机能够平滑旋转的核心。

对星形连接且中性点未引出的对称电机,还满足:

iA+iB+iC=0i_A+i_B+i_C=0

三相电流中只有两个独立变量,恰好足以描述这个二维磁场。两相正交绕组也能做到这一点,三相并非唯一的数学选择;三相结构兼顾绕组利用、功率连续性、三线制连接和功率器件数量,因而成为工业无刷电机与伺服电机的主流形式。

正弦电流可以让磁场连续旋转,六步换相则采用更简单的做法:每次只让两相通电,把可用磁场方向离散成六个位置。理解这六个位置之前,需要先统一转子位置的尺度。

3. 机械角度与电角度

一台两极电机的转子机械转一圈,N、S 磁极相对定子也完成一个完整周期。若转子有多对磁极,机械转一圈时,同一种电磁关系会重复多次。

设电机有 pp 对磁极,机械角度为 θm\theta_m,电角度为 θe\theta_e

θe=pθm+θe0\theta_e=p\theta_m+\theta_{e0}

相应地:

ωe=pωm\omega_e=p\omega_m

θe0\theta_{e0} 是转子磁极、定子相轴与位置传感器零位之间的偏置。七对极电机的转子机械旋转一圈,电角度会循环七圈,六步换相序列也会完整执行七次。

“相隔 120120^\circ”“每步前进 6060^\circ”等说法,若没有特别说明,指的都是电角度。实际槽位之间的机械夹角还会受到极对数、槽数和绕组布置影响,不能直接把示意图中的电角度当成定子上的机械尺寸。

这一区分对控制器十分关键。机器人上层使用关节角度和电机机械角度,换相与后续 FOC 关心电角度。极对数或零位偏置错误,会让驱动器在错误位置施加电流,常见结果是抖动、反转、转矩不足和快速发热。

还可以把定子合成磁场的电角度记为 θs\theta_s,转子永磁体的电角度记为 θe\theta_e,二者之差

δ=θsθe\delta=\theta_s-\theta_e

描述了定子磁场相对转子磁场的位置。电机稳定输出转矩时,δ\delta 应保持在合适范围内;正向电动、反向电动与再生制动对应不同的相对位置和电流方向。六步换相只允许 θs\theta_s 落在六个离散方向,因此 δ\delta 会在每个扇区内逐渐变化,并在换相时跳到下一个区间。六步控制产生的部分转矩脉动,由此已经埋下伏笔。

同步关系也说明换相频率不能脱离转速任意设定。若每秒完成 fef_e 个电气周期,则机械转速为:

nm=60fepn_m=\frac{60f_e}{p}

位置传感器或位置估算器的任务,就是让六步序列始终与这个电磁周期对齐。

4. 三相电流怎样产生转矩

对每一相绕组,最基本的电压关系应写成:

uk=Rik+dλkdt,k{A,B,C}u_k=Ri_k+\frac{d\lambda_k}{dt}, \qquad k\in\{A,B,C\}

其中 uku_k 是相端相对电机内部中性点的电压,λk\lambda_k 是该相的总磁链。磁链同时来自定子电流和转子永磁体。在线性、对称的近似下,可写成:

λ=Li+λf(θe)\boldsymbol{\lambda} =\mathbf L\boldsymbol i+\boldsymbol{\lambda}_f(\theta_e)

L\mathbf L 中包含各相自感和相间互感,λf\boldsymbol{\lambda}_f 则描述转子永磁体随位置变化而链过三相绕组的磁链。若进一步忽略互感、磁饱和和凸极效应,单相方程才退化为更熟悉的形式:

uk=Rik+Ldikdt+ek,ek=dλf,kdtu_k=Ri_k+L\frac{di_k}{dt}+e_k, \qquad e_k=\frac{d\lambda_{f,k}}{dt}

外加相电压推动电流变化,绕组电阻和电感限制变化速度,转子永磁体运动又在绕组中产生反电动势。

反电动势随转子电角度变化,可以写成:

ek=Keωmfk(θe)e_k=K_e\omega_m f_k(\theta_e)

fAf_AfBf_BfCf_C 是彼此错开 120120^\circ 电角度的归一化波形。绕组分布不同,反电动势可以接近梯形,也可以接近正弦。通常所说的 BLDC 六步控制,主要针对梯形反电动势电机。

三相瞬时机电转换功率为:

pem=eAiA+eBiB+eCiCp_{em}=e_Ai_A+e_Bi_B+e_Ci_C

ωm0\omega_m\neq0 时,电磁转矩可由功率关系写成:

τe=eAiA+eBiB+eCiCωm\tau_e=\frac{e_Ai_A+e_Bi_B+e_Ci_C}{\omega_m}

这条功率公式在旋转时非常直观,却不能拿来解释静止转矩:转子静止时 ek=0e_k=0、机械功率也为零,但通电绕组依然可以产生保持转矩。更一般的磁共能表达式为:

τe=iTλfθm+12iTLθmi\tau_e= \boldsymbol i^T\frac{\partial\boldsymbol{\lambda}_f}{\partial\theta_m} +\frac{1}{2}\boldsymbol i^T \frac{\partial\mathbf L}{\partial\theta_m} \boldsymbol i

第一项是永磁磁链与定子电流作用产生的转矩,第二项是电感随转子位置变化产生的磁阻转矩。表贴式永磁电机的凸极效应通常较弱,六步换相主要利用第一项;内嵌式永磁电机的磁阻转矩则可能不可忽略。转子转动后,磁共能表达式与前面的机电功率关系相互一致。

这条关系给出了选相的物理依据:电流应当流入反电动势极性合适的相,并从另一相流出,使各相的 ekike_ki_k 尽量为正且总和稳定。对梯形反电动势而言,每个 6060^\circ 区间都能找到两相处于合适的平台区域,于是可以用一正、一负、第三相悬空的方式产生同向平均转矩。

这里也能看见 BLDC 与 PMSM 名称背后的差别。两者都属于永磁同步电机,边界并不由“是否无刷”决定;工程上通常把反电动势接近梯形、配合 120° 方波电流工作的电机称为 BLDC,把磁链与反电动势接近正弦、配合正弦电流工作的电机称为 PMSM。槽极配合、磁极形状和绕组分布共同决定真实波形,控制方法需要与实际电机匹配。

5. 六步换相怎样形成旋转磁场

把一个电气周期分成六个 6060^\circ 区间。每个区间选择一相让电流流入、一相让电流流出,剩余一相暂不主动驱动。下面给出一种正转方向的示例相序:

电气区间流入相流出相悬空相相状态
1ABCA+ B−
2ACBA+ C−
3BCAB+ C−
4BACB+ A−
5CABC+ A−
6CBAC+ B−
六步换相依次选择一相流入、一相流出和一相悬空,使定子合成磁场每次前进六十电角度

A+ B− 为例,电流从 A 相流入、经电机中性点从 B 相流出。A、B 两相磁场叠加,得到一个确定的定子磁场方向。切换到 A+ C− 后,A 相保持,回流相由 B 换成 C,合成磁场随之前进 6060^\circ 电角度。

六个状态首尾相接,便形成一圈离散旋转磁场。转子永磁体在电磁转矩作用下追随这个磁场,控制器则在转子进入下一个区间时继续推进定子磁场。

若三个桥臂始终互补驱动,每个桥臂只有接正母线或接负母线两种状态,三相桥便有八种基本组合:六种非零线电压状态,以及 000111 两种零线电压状态。本文讨论的 120° 六步换相还允许一个桥臂进入高阻态,因此每个扇区采用“一正、一负、一悬空”的两管导通方式,不能把它与三桥臂互补驱动的八状态表直接混为一谈。PWM 实现时又会在主导通路径和续流路径之间快速切换。因此,“第几步”描述的是一个较慢的电角度区间,功率管在区间内部仍以更高的 PWM 频率动作。

“120° 导通”描述的是单相在一个电气周期中的电流区间:A 相正向导通 120120^\circ,悬空 6060^\circ,反向导通 120120^\circ,再悬空 6060^\circ。反转时可以倒转六个状态的顺序;若交换电机任意两根相线,旋转方向也会改变,但软件中的相名、位置映射和转矩正方向必须同步调整。

到这里,控制算法已经回答了“哪一相接正、哪一相接负”。这些符号仍然只是逻辑命令,真正的绕组电流要由三相功率桥建立。

6. 六只功率管怎样执行换相状态

三相逆变器由三个半桥组成。每个桥臂的上管可以把一根相线接向直流母线正端,下管可以把相线接向母线负端,三个桥臂合计六只功率开关。它常被称作三相全桥,但其电路结构是三个共享直流母线的半桥,并不是三组独立 H 桥。

三相逆变器在 A 相高侧管和 B 相低侧管导通时建立从直流母线正端流经 A 相和 B 相到负端的主电流路径,C 相不主动驱动

A+ B− 为例,控制器导通 A 相上管和 B 相下管,理想主电流路径为:

+VdcQAHA 相中性点B 相QBL0+V_{dc}\rightarrow Q_{AH}\rightarrow A\text{ 相} \rightarrow \text{中性点}\rightarrow B\text{ 相} \rightarrow Q_{BL}\rightarrow 0

在理想稳态近似下:

iA=iB,iC=0i_A=-i_B,\qquad i_C=0

C 相“悬空”表示它的上下功率管都没有被主动导通,并不保证相端电压为零。转子运动仍会在 C 相产生反电动势;换相瞬间的续流、MOSFET 体二极管和寄生电容也会短暂影响 C 相电流与端电压。

还有一个容易被理想电路图隐藏的细节:电机星点通常没有引出,内部中性点电位会随开关状态漂移。若桥臂中点相对直流母线负端的电压为 vAOv_{AO},电机中性点电压为 vNOv_{NO},真正加在 A 相绕组上的电压是:

uA=vAOvNOu_A=v_{AO}-v_{NO}

驱动器直接施加和测量的通常是线电压。例如在 A+ B− 区间:

uAB=uAuB=R(iAiB)+(LsM)d(iAiB)dt+(eAeB)u_{AB}=u_A-u_B =R(i_A-i_B)+(L_s-M)\frac{d(i_A-i_B)}{dt} +(e_A-e_B)

iA=ii_A=iiB=ii_B=-i 的近似下,可以把两相回路写成:

Leqdidt=uABReqieABL_{eq}\frac{di}{dt} =u_{AB}-R_{eq}i-e_{AB}

低速时反电动势较小,有限母线电压能够让电流迅速建立;转速升高后,eABe_{AB} 逐渐占用电压裕量,电流上升速度变慢。当所需线电压接近逆变器能够提供的上限时,占空比即使达到 100%,电流环也无法继续维持目标电流。这正是永磁电机高速区转矩下降的电气原因之一。

换相表只决定电流路径,PWM 占空比决定该路径上施加的平均线电压。线电流仍由电阻、电感、反电动势和母线电压共同决定,因此相同占空比在不同转速和温度下不会对应相同转矩。

若希望六步驱动具有可控转矩,控制器需要测量导通相电流,并用电流闭环调节 PWM。对当前区间的等效电流记作 ii,目标电流记作 ii^*,电流调节器根据误差 iii^*-i 产生占空比命令。电流环的意义与上一篇完全一致:上层给出目标转矩,驱动器最终通过控制绕组电流来建立电磁转矩。

不同 PWM 策略会给同一张换相表带来不同的电流路径。可以让一只功率管恒定导通、另一只管 PWM,也可以对上下管进行互补 PWM 并使用同步整流。前者的换相与反电动势采样较直观,后者能降低二极管导通损耗,却更依赖可靠死区、精确采样时刻和正确的续流状态。换相表只说明平均意义上的相选择,栅极波形还需要结合具体功率级逐周期设计。

真实换相需要一段时间把电流转移到新相。以 A+ B− 切换到 A+ C− 为例,A 相仍然承担流入电流,B 相电流需要从 I-I 衰减到零,C 相电流再从零建立到 I-I。由于电感反对电流突变,换相期间会短暂出现三相同时有电流:

iA+iB+iC=0,iB:I0,iC:0Ii_A+i_B+i_C=0, \qquad i_B: -I\rightarrow0, \qquad i_C:0\rightarrow-I
六步换相时旧流出相电流逐渐衰减,新流出相电流逐渐建立,换相重叠区内三相同时承载电流并可能造成转矩偏差

若新相电流建立得太慢,反电动势对应的有效转矩电流会暂时不足,形成转矩凹陷;若电流转移过快或换相提前量过大,又可能产生转矩尖峰和额外铜耗。母线电压、转速、绕组电感和 PWM 续流方式都会改变换相时间,因此固定霍尔边沿直接换相虽然简单,却很难在整个转速范围内保持相同效果。

功率桥还让电机具备双向能量流动的条件。若转速与电磁转矩同号,电能主要流向机械端;制动时二者异号,pem=τeωm<0p_{em}=\tau_e\omega_m<0,机械能会经绕组和逆变器回到直流母线。电池供电系统可以吸收部分回馈能量,不能回灌的电源则需要制动电阻、能量泄放或母线过压保护。机器人关节的快速减速会频繁进入这种再生状态,驱动器不能只按“正转供电”来理解。

真正的功率级还必须处理以下细节:

  • 同一桥臂的上下管必须互锁,否则会直接短路直流母线;
  • 上下管切换之间需要死区,死区又会在小电流和电流过零附近引入电压误差;
  • 绕组电流不能突变,PWM 关断与换相期间必须保留可控的续流路径;
  • 栅极驱动器需要承受桥臂中点的快速电压变化,并可靠驱动高侧功率管;
  • 电流采样应避开开关尖峰,并与 PWM 时序协调;
  • 过流、欠压和过温保护应能绕过主控制程序快速关断功率级。

六步换相的状态表只有六行,驱动器的可靠性却取决于每一次开通、关断和续流是否安全可控。

7. 控制器怎样知道何时换相

定子磁场每次应该前进 6060^\circ,换相时刻必须来自转子位置。最直接的方案是在电机内部安装三只数字霍尔传感器。转子磁极经过时,三路霍尔信号形成六种有效组合,每次组合变化对应一个新的电气区间。

000111 在常见布置中不会作为正常区间,通常意味着断线、短路、供电异常或采样错误。其余六个霍尔码与 A+ B− 等相状态之间没有跨电机通用的固定映射。传感器安装角度、逻辑极性、相线命名和正转定义都会改变换相表,应以电机资料或受控小电流实验为准。

三只数字霍尔传感器提供的是扇区信息,原始位置分辨率通常只有 6060^\circ 电角度。控制器可以利用相邻边沿的时间估算电角速度,再在扇区内部插值角度,但加减速时会产生预测误差。对六步换相,这种分辨率恰好能够选择六个状态;对低速高精度伺服,它不足以支持平滑的位置与转矩控制,这也是机器人关节通常还会使用编码器或高分辨率磁传感器的原因。

霍尔传感器利用六种有效逻辑状态直接划分电气区间,无传感器方法则检测悬空相反电动势过零并延迟三十电角度安排下一次换相

六步换相还有一种常见的无位置传感器方案。每一步都留有一相悬空,控制器可以观察该相反电动势,并将其与电机中性点、虚拟中性点或母线中点比较。

在理想梯形反电动势和匀速近似下,悬空相的反电动势过零位于两次换相的中间:它距离上一次换相约 3030^\circ 电角度,距离下一次换相也约 3030^\circ。检测到过零后,再根据当前电角速度等待相应时间,便可安排下一次换相。

这个方法依赖足够大的反电动势。静止和很低转速时,信号接近零,驱动器通常先执行转子对齐和开环加速,达到可靠检测区间后再切入反电动势闭环。PWM 边沿、续流和绕组振铃还会制造虚假过零,因此实际系统需要消隐时间、同步采样、滤波和异常超时处理。

有了位置与功率桥,电机已经能够稳定旋转。接下来要关注的,是六个离散磁场方向会怎样影响转矩质量。

8. 六步换相为什么会产生转矩脉动

在理想梯形反电动势电机中,若两相反电动势处于平坦且极性相反的区间,再向它们通入幅值相同、方向相反的方波电流,机电转换功率可以近似保持恒定。

例如 A+ B− 区间有 iA=ii_A=iiB=ii_B=-iiC=0i_C=0

pem=(eAeB)ip_{em}=(e_A-e_B)i

eAeBe_A-e_B 在该区间近似不变,平均转矩也会近似不变。这就是梯形反电动势与 120° 方波电流相匹配的意义。

六步换相的三相方波电流与梯形反电动势在主要导通区间产生近似恒定转矩,换相边界和非理想因素引入转矩脉动

真实电机很难达到这个理想状态:

  • 绕组电感使电流不能在换相边界瞬间从旧相转移到新相;
  • 反电动势波形不会是完美梯形,与方波电流的乘积自然起伏;
  • 霍尔安装误差和检测延迟会让换相位置提前或滞后;
  • PWM 电流纹波、死区、母线波动和功率管压降会改变实际相电压;
  • 齿槽转矩、磁饱和和绕组不对称还会叠加额外谐波。

这些误差在换相边界附近尤其明显,表现为转矩凹陷或尖峰,进一步形成速度纹波、振动和可听噪声。风扇、泵和许多高速旋转设备能够接受这样的特性;机器人关节的低速跟踪、力控制和柔顺接触对转矩平滑性更敏感。

可以把这些波动按来源分成三类。换相转矩脉动来自旧相与新相的电流转移;电磁谐波转矩来自非理想反电动势、绕组磁动势和磁饱和;齿槽转矩即使在绕组不通电时也可能存在,它来自永磁体与定子槽之间磁阻随位置变化。三者会在不同机械角频率和电频率上出现,调试时只观察总转矩,很容易把电流环问题误判成电机本体问题。

转速升高后,换相又多出一层矛盾。相同的电流转移时间会占据更大的电角度,而反电动势上升又减少了推动电流转移的电压裕量。工程上常用换相提前角补偿电流滞后,但提前过多会增加无效电流、铜耗和母线电流。六步控制也因此需要随转速、负载和母线电压调整时序,不能把霍尔边沿与固定开关表视作全部算法。

电流与温度同样限定了可持续转矩。三相铜耗近似为:

Pcu=R(iA2+iB2+iC2)P_{cu}=R(i_A^2+i_B^2+i_C^2)

短时间的大电流可以产生峰值转矩,持续输出却受绕组温升、磁钢温度、铁耗和功率器件损耗约束。随着电频率提高,铁耗与开关损耗通常也会上升。伺服驱动器因此会同时给出峰值电流、持续电流、母线电压和速度范围,而不会只给一个转矩常数。

六步换相由此展示了完整的电子换相链路,也清楚暴露了离散换相的上限。

9. 力矩命令怎样走到三相绕组

把各部分重新接回机器人控制系统。若负载侧目标力矩为 τl\tau_l^*,经过减速比和效率换算后得到电机目标力矩 τm\tau_m^*。六步驱动器再依据自身采用的相电流与转矩常数定义,把它换算成当前导通区间的目标电流:

iτmKt,6i^*\approx\frac{\tau_m^*}{K_{t,6}}

Kt,6K_{t,6} 必须与数据手册的电流口径一致:相电流、线电流、峰值和有效值混用都会造成固定比例误差。得到 ii^* 后,一次控制更新可以按下面的顺序执行:

  1. 读取霍尔码或位置估计,判断当前电气区间;
  2. 根据转矩方向查换相表,选出流入相、流出相和悬空相;
  3. 采样实际电流,运行电流调节器并计算 PWM 占空比;
  4. 通过互锁和死区逻辑更新三相桥开关;
  5. 持续检查过流、母线电压、温度和位置状态是否合法。
机器人关节目标力矩经过传动换算、换相逻辑、电流控制和三相功率桥形成绕组电流与电磁转矩,并由位置、电流和温度传感器反馈

这条链路揭示了上层算法与电机之间真正的接口。上层力矩命令并没有直接驱动转子,它先成为目标电流;位置反馈决定电流应该流过哪两相,电流环决定需要施加多少电压,三相桥再把直流母线切换成绕组能够接受的脉冲电压。

这条链路中还存在三类不同的限制:目标电流受峰值转矩与温升限制,电流环输出受母线电压限制,换相时序受位置质量和计算延迟限制。上层控制器若只发送力矩命令而不了解这些边界,就可能在高速时要求驱动器输出无法建立的电流,或在频繁加减速时把回馈能量推到过压保护。工程接口除了力矩数值,还应明确饱和状态、故障状态、母线能力与可用转矩范围。

六步换相已经拥有伺服驱动的基本骨架。它的问题集中在电气角度分辨率:定子磁场只能取六个离散方向,区间内部无法继续精细调整电流矢量。FOC 保留同一台三相电机、三相桥、电流采样和位置反馈,把六个离散方向扩展为连续可控的电流矢量,机器人目标转矩才能更平滑地落到电机轴上。

至此,我们已经把机械换向器拆成了可以逐项观察和测量的电子系统:三相绕组提供可移动的磁场方向,电角度描述转子在电磁周期中的位置,六步状态表决定通电组合,三相桥建立绕组电流,位置反馈与电流反馈让转矩能够持续受控。

下一篇将进一步建立永磁同步电机的三相数学模型。只有把磁链、反电动势、电感和转矩写清楚,才能理解 Clarke/Park 变换为何有效,也才能看见 FOC 怎样把六步换相的离散磁场推进为连续的转矩控制。

参考资料

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  2. Microchip, AN1160: Sensorless BLDC Control with Back-EMF Filtering Using a Majority Function.
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  5. STMicroelectronics, 3-phase 6-step control.
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