三相无刷电机与六步换相
目录
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。
电子系统因此需要重新实现那三项功能:
- 用霍尔传感器、编码器或估算器获得转子位置;
- 根据转子位置决定此刻需要建立哪个方向的定子磁场;
- 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 ,A 相绕组的磁动势可写成:
若通入 ,利用积化和差关系可得:
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。
三相电机把 A、B、C 三相的磁场轴在电角度上错开 。若三相通入对称的正弦电流:
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 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和方向两个自由度。
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:
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 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:
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 对磁极,机械角度为 ,电角度为 :
相应地:
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 ”“每步前进 ”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 ,转子永磁体的电角度记为 ,二者之差
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, 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 落在六个离散方向,因此 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 个电气周期,则机械转速为:
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:
其中 是相端相对电机内部中性点的电压, 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:
中包含各相自感和相间互感, 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:
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:
、、 是彼此错开 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:
在 时,电磁转矩可由功率关系写成:
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 、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:
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 尽量为正且总和稳定。对梯形反电动势而言,每个 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 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 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | A | B | C | A+ B− |
| 2 | A | C | B | A+ C− |
| 3 | B | C | A | B+ C− |
| 4 | B | A | C | B+ A− |
| 5 | C | A | B | C+ A− |
| 6 | C | B | A | C+ B− |
以 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 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 000、111 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 ,悬空 ,反向导通 ,再悬空 。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。
以 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:
在理想稳态近似下:
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 ,电机中性点电压为 ,真正加在 A 相绕组上的电压是:
驱动器直接施加和测量的通常是线电压。例如在 A+ B− 区间:
在 、 的近似下,可以把两相回路写成:
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, 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 ,目标电流记作 ,电流调节器根据误差 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 衰减到零,C 相电流再从零建立到 。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:
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,,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 ,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。
000 和 111 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 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。
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 电角度,距离下一次换相也约 。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 、、:
若 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。
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:
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 ,经过减速比和效率换算后得到电机目标力矩 。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:
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 后,一次控制更新可以按下面的顺序执行:
- 读取霍尔码或位置估计,判断当前电气区间;
- 根据转矩方向查换相表,选出流入相、流出相和悬空相;
- 采样实际电流,运行电流调节器并计算 PWM 占空比;
- 通过互锁和死区逻辑更新三相桥开关;
- 持续检查过流、母线电压、温度和位置状态是否合法。
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
- Microchip, AN885: Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals.
- Microchip, AN1160: Sensorless BLDC Control with Back-EMF Filtering Using a Majority Function.
- NXP, AN4776: BLDC Motor Control with Hall Sensors Based on FRDM-KE02Z.
- Texas Instruments, Sensorless Trapezoidal Control of BLDC Motors.
- STMicroelectronics, 3-phase 6-step control.
- James L. Kirtley Jr., MIT OpenCourseWare, 6.685 Electric Machines, Course Notes 7: Permanent Magnet “Brushless DC” Motors.
- NPTEL, Permanent Magnet Motors: Principle of Operation.
- Stephen J. Chapman, Electric Machinery Fundamentals, 5th ed., McGraw-Hill, 2012.