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。