无刷直流电机驱动方案之梯形控制技术详解​

梯形控制的应用场景与工作原理​

BLDC 电机驱动方案的梯形控制技术在工业与民用领域都有重要应用。从日常使用的白色家电，到制冷压缩机、暖通空调（HVAC）鼓风机、冷凝器，再到工业驱动设备、水泵以及机器人系统等，其控制系统设计都离不开梯形控制的助力。​

驱动电机的三相逆变器由 MOSFET 构成，这些 MOSFET 存在六种不同的开 / 关状态组合。这些组合在转子磁场的旋转平面内，能够产生六种定子磁场方向，因此梯形控制也被称为六步法或 120° 块换向。为了使定子和转子磁场相互作用产生最大转矩，六种逆变器状态需依据电机所需的旋转方向，遵循特定顺序切换。而转子位置反馈则可通过两种方式实现，一种是借助安装在电机上的霍尔传感器（有传感器方式），另一种是在电机旋转过程中感应电机相位的反电动势（无传感器方式），以此来确定准确的换向时机。​

有传感器式与无传感器式梯形控制​

有传感器式梯形控制的运行无需电压或电流反馈信号，它主要依靠霍尔传感器反馈的位置信息，来确定电机各相位的通电顺序。霍尔传感器安装于电机之上，利用转子永磁体旋转磁场引发的霍尔效应，实时感知转子位置。即使在电机启动的零速状态下，由于转子位置信息始终存在，也能顺利完成换向操作。​

无传感器的梯形控制则另辟蹊径，通过利用电机旋转过程中产生的反电动势，来判断电机的换向顺序。在梯形控制模式下，同一时刻仅有两个电机相位处于通电状态，此时非通电相位无电流通过，为直接感应反电动势创造了条件。在非通电阶段，反电动势会呈现线性变化趋势。多数基于梯形控制的反电动势位置反馈技术，都依赖于反电动势过零检测（ZCD）方法。具体来说，就是实时监测反电动势，当它越过电机中性电压或直流总线电压一半的参考点时，即触发相应操作。

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这两种控制方式各有优劣。有传感器的梯形控制虽然实施难度较低，但因霍尔传感器的安装，增加了成本，同时还需要额外布线，在一些特殊环境中可能并不适用。无传感器控制虽然避免了传感器安装带来的问题，但控制逻辑更为复杂，需要根据特定负载或工作条件进行针对性调整，而且在重载情况下，电机启动可能面临困难。不过，对于负载曲线固定，或负载随速度增加的应用场景，如风扇等设备，无传感器控制有着出色的表现。​

设计 BLDC 电机控制系统的关键要素​

在进行 BLDC 电机驱动板控制设计时，除了核心的梯形控制策略，还有一些关键设计因素不容忽视。​

过流保护（OCP）是保障系统安全运行的重要环节，可通过硬件、软件或两者结合的方式来实现，有效限制电流大小，降低硬故障发生的概率。过压保护（OVP）同样不可或缺，利用硬件、软件或二者协同，防止电机遭受破坏性电压冲击。过温保护（OTP）则着重关注逆变器中 MOSFET 的工作温度，尤其是在温度变化范围较大的环境中，这一保护机制尤为重要。​

此外，MOSFET 的选型也至关重要。高能效屏蔽栅沟槽型 MOSFET 产品组合，能够依据不同的设计需求进行定制，有助于提升电机控制系统的整体性能。​

高度集成化的电机控制方案在节能方面优势显著。梯形 BLDC 控制凭借简单的控制算法、较高的运行效率，以及结构相对简单的电机设计，不仅能够延长电机使用寿命，还能降低运营成本。当梯形控制与基础保护措施、先进设计技术相结合时，更能显著提升电机的控制精度，使其成为驱动电动工具和机器人电机的高效选择之一。