無刷電機控制方法之電流控制

（本文編譯自Electronic Design）

在無刷直流電機(BLDC)系統中，電流控制器承擔著核心關鍵作用：它確保換相模塊輸出的各電機繞組指令值，能夠精準控制對應繞組的通電電流。通過直接電流調節，可更精確地管控無刷直流電機的運行狀態，實現性能升級與能效優化。

電流控制的核心優勢之一，是可規避具有安全隱患的過流問題，尤其適用于電機靜止未啟動工況。無刷直流電機為實現高轉速與快速加速特性，其線圈通常設計為低阻抗規格。若無電流控制機制，電機靜止狀態下直接施加驅動電壓，會產生峰值極大的沖擊電流，造成器件損壞。

對于搭載位置控制環的電機控制器而言，電流控制還可拓寬電機位置控制的有效帶寬，降低位置調控的控制難度。產生該優勢的核心原因在于：電機繞組驅動電壓與繞組實際通電電流之間并非簡單線性對應關系，實際耦合邏輯相對復雜。

為何繞組施加的電壓無法與電流形成正比關系？二者的耦合偏差源自何處？反電動勢是打破驅動電壓與繞組電流線性關系的關鍵因素。電機轉速越高，反電動勢越強，繞組實際承受的有效凈電壓便會隨之降低。電流控制器可根據工況動態補償驅動電壓，確保實際電流貼合指令設定值。

此外，線圈電感特性會導致電流響應產生延遲；電感會抑制線圈內部的電流突變。該延遲會限制電機的動態響應能力，難以完成電子制造高速拾放等時序要求嚴苛的運動動作。主動式電流控制可通過短時升壓調節，加快電流上升或下降速率，有效解決這一問題。

位置控制環路中的電流控制

無刷直流電機可采用多種電流控制方案。然而，高端電機控制器（尤其是工作在位置控制環路內部的控制器）的行業通用標準，為比例積分（PI）電流環路控制器。比例積分控制流程如圖1所示。PI濾波器針對電流誤差進行運算調節，電流誤差指各繞組的指令電流與實測電流之間的差值。

圖1：比例積分電流控制環路用于調節相電流。

與位置環路類似，必須設定比例積分濾波器的比例系數與積分系數。不過，電流環路的參數整定通常簡單易行，多數運動控制設備廠商均配套提供自動整定功能。

磁場定向控制的功能特性

磁場定向控制是無刷直流電機的重要控制方式。磁場定向控制雖屬于電流控制的一種，但集成了換相功能，這一點與圖1所示的常規電流環路控制方式不同。

圖2展示了驅動三相無刷電機的標準比例積分電流控制方案。位置環路輸出的電流指令經過矢量分解，生成三路獨立電流指令，分別對應電機各相繞組。隨著轉子轉動，矢量角度同步跟進變化。分解后的各相矢量指令隨后輸入兩路比例積分電流環路，以此將兩相繞組的實際電流穩定維持在目標設定值。

圖2：標準三相電流控制架構。

第三相未采用電流環路，而是通過公式C=?(A+B)計算其電壓指令，該公式遵循電流守恒原理，即流入電機的電流必然等于流出的電流。

標準比例積分電流控制器存在一項關鍵特性：隨著電機轉速升高，維持繞組指令電流的控制難度會逐漸增大。原因在于，電機轉速提升時，各繞組正弦變化電流指令的頻率也會同步升高。

電流環路中與頻率成正比的滯后效應，在低速工況下影響微弱，但在高轉速下會產生大量無用的D軸轉矩，最終導致電機可用轉矩下降。

磁場定向控制的控制方案（圖3）則有所不同，其電流環路運行不受電機轉速影響。該控制方式的核心關鍵為數學變換運算，可將旋轉矢量坐標系與靜止的D、Q參考坐標系進行相互轉換，這類變換即克拉克變換與帕克變換。

圖3:采用D軸與Q軸電流環路的磁場定向控制架構。

磁場定向控制方式同樣包含兩路電流環路，一路用于控制目標Q軸轉矩，另一路用于抑制非必要的D軸轉矩。Q軸轉矩環路接收位置環路（或速度環路）控制器輸出的指令電流；D軸環路以零為控制指令，從而最大程度削弱無效的直軸轉矩分量。

相較于常規電流控制加換相的方案，磁場定向控制具備哪些優勢？答案是更高的極限轉速，以及電機高速運轉狀態下更優的運行效率。需要注意的是，直線無刷直流電機每秒電氣相位轉速普遍較低，因此采用磁場定向控制幾乎沒有優勢。

從工程應用角度來看，磁場定向控制的使用難度與標準比例積分電流控制基本相當。控制器內部的磁場定向控制算法邏輯復雜，但該部分復雜流程通常對用戶完全屏蔽。整定磁場定向控制的電流控制參數時，依舊需要設定比例系數與積分系數，該過程一般由自動整定工具完成，絕大多數運動控制廠商都會為客戶配備此項功能。

磁場定向控制能夠提升無刷直流電機高速工況下的運行效率、降低發熱，是一項至關重要的控制技術。該方案過去屬于高端控制手段，而隨著新一代電機控制微控制器與數字信號處理器的普及，現已成為通用標準功能。在高性能位置控制或速度控制的旋轉式無刷電機驅動場景中，磁場定向控制通常為最優方案。

無刷直流電機的電壓模式控制

在無刷直流電機控制器的電流控制環節中，也可完全不啟用主動電流控制，該運行模式即電壓模式控制。電壓模式控制的核心優勢在于成本低廉，通常僅需配置開關橋路即可實現。

電壓模式控制是否存在安全隱患？確實存在，尤其在電機啟動或堵轉工況下。若無電流控制或限流保護措施，繞組極易出現過流問題，進而造成電機損壞。高速專用電機的線圈電阻普遍偏低，因此該類電機在電壓模式下的過流風險更為突出。

無刷直流電機的電壓模式控制是否具備實際應用場景？盡管存在諸多局限性，但其應用范圍仍然廣泛，例如散熱風扇、水泵、壓縮機、高速手術鉆、電動剃須刀等設備。此類場景無需對電機轉速或轉矩進行精準調控，電機反電動勢及負載阻力會自然限制轉速區間。

無刷電機功率放大器

無刷直流電機控制器的最后一個核心組成部分為功率放大器。該器件通過功率開關器件調節輸出電壓，使實際電流最大程度貼合指令電流。電機放大器存在多種拓撲結構，其中，帶橋臂電流采樣的三半橋架構，是高性能位置控制與速度控制領域應用最廣泛的方案。這款數控開關式功率放大器的接線結構如圖4所示。

圖4：帶橋臂電流采樣的三半橋放大器。

半橋是一種具備三種工作狀態的開關橋電路：可將電機繞組端完全接入電機供電電壓（圖4中標注為高壓HV）；可將繞組接地；也可使電機繞組保持懸空斷開狀態。

該橋路的通斷控制信號分為高端與低端獨立控制信號，由脈沖寬度調制（PWM）信號驅動。脈沖寬度調制信號以固定頻率運行，中小型無刷直流電機的工作頻率通常為20kHz至100kHz，并通過改變占空比調節放大器的輸出電壓。

調節脈沖寬度調制信號的占空比，可實現等效模擬電壓輸出控制。例如，當供電高壓為24V，且脈沖寬度調制占空比設定為20%時，電機繞組承受的有效電壓為24V×0.20，即4.8V。

該橋路架構的電流檢測依靠采樣電阻實現（也可選用模擬霍爾傳感器）。采樣電阻會輸出與電流成正比的檢測信號（圖4中標注為A相電流、B相電流、C相電流），每路電機繞組各對應一路采樣信號并輸送至電流控制環路。各橋臂電流傳感器的模擬輸出信號經過濾波處理后，送入模數轉換器，供實時微控制器或數字信號處理器完成電流運算處理。

開關橋電路的設計與時序邏輯，與各電機線圈的電流檢測時序設計緊密關聯。盡管該項技術已有至少二十年成熟應用歷史，但橋臂電流采樣方案的時序配合及配套運算處理邏輯較為復雜，這里不再贅述。

結語

相較于傳統電機放大器，現代數字放大器性能大幅提升。結合脈沖寬度調制開關橋路與電流采樣電阻的一體化設計，最終打造出高性價比、超高能效的功率放大裝置，可實現高精度電壓放大與精準電流檢測。