无刷电机控制方法之电流控制

（本文编译自Electronic Design）

在无刷直流电机(BLDC)系统中，电流控制器承担着核心关键作用：它确保换相模块输出的各电机绕组指令值，能够精准控制对应绕组的通电电流。通过直接电流调节，可更精确地管控无刷直流电机的运行状态，实现性能升级与能效优化。

电流控制的核心优势之一，是可规避具有安全隐患的过流问题，尤其适用于电机静止未启动工况。无刷直流电机为实现高转速与快速加速特性，其线圈通常设计为低阻抗规格。若无电流控制机制，电机静止状态下直接施加驱动电压，会产生峰值极大的冲击电流，造成器件损坏。

对于搭载位置控制环的电机控制器而言，电流控制还可拓宽电机位置控制的有效带宽，降低位置调控的控制难度。产生该优势的核心原因在于：电机绕组驱动电压与绕组实际通电电流之间并非简单线性对应关系，实际耦合逻辑相对复杂。

为何绕组施加的电压无法与电流形成正比关系？二者的耦合偏差源自何处？反电动势是打破驱动电压与绕组电流线性关系的关键因素。电机转速越高，反电动势越强，绕组实际承受的有效净电压便会随之降低。电流控制器可根据工况动态补偿驱动电压，确保实际电流贴合指令设定值。

此外，线圈电感特性会导致电流响应产生延迟；电感会抑制线圈内部的电流突变。该延迟会限制电机的动态响应能力，难以完成电子制造高速拾放等时序要求严苛的运动动作。主动式电流控制可通过短时升压调节，加快电流上升或下降速率，有效解决这一问题。

位置控制环路中的电流控制

无刷直流电机可采用多种电流控制方案。然而，高端电机控制器（尤其是工作在位置控制环路内部的控制器）的行业通用标准，为比例积分（PI）电流环路控制器。比例积分控制流程如图1所示。PI滤波器针对电流误差进行运算调节，电流误差指各绕组的指令电流与实测电流之间的差值。

图1：比例积分电流控制环路用于调节相电流。

与位置环路类似，必须设定比例积分滤波器的比例系数与积分系数。不过，电流环路的参数整定通常简单易行，多数运动控制设备厂商均配套提供自动整定功能。

磁场定向控制的功能特性

磁场定向控制是无刷直流电机的重要控制方式。磁场定向控制虽属于电流控制的一种，但集成了换相功能，这一点与图1所示的常规电流环路控制方式不同。

图2展示了驱动三相无刷电机的标准比例积分电流控制方案。位置环路输出的电流指令经过矢量分解，生成三路独立电流指令，分别对应电机各相绕组。随着转子转动，矢量角度同步跟进变化。分解后的各相矢量指令随后输入两路比例积分电流环路，以此将两相绕组的实际电流稳定维持在目标设定值。

图2：标准三相电流控制架构。

第三相未采用电流环路，而是通过公式C=−(A+B)计算其电压指令，该公式遵循电流守恒原理，即流入电机的电流必然等于流出的电流。

标准比例积分电流控制器存在一项关键特性：随着电机转速升高，维持绕组指令电流的控制难度会逐渐增大。原因在于，电机转速提升时，各绕组正弦变化电流指令的频率也会同步升高。

电流环路中与频率成正比的滞后效应，在低速工况下影响微弱，但在高转速下会产生大量无用的D轴转矩，最终导致电机可用转矩下降。

磁场定向控制的控制方案（图3）则有所不同，其电流环路运行不受电机转速影响。该控制方式的核心关键为数学变换运算，可将旋转矢量坐标系与静止的D、Q参考坐标系进行相互转换，这类变换即克拉克变换与帕克变换。

图3:采用D轴与Q轴电流环路的磁场定向控制架构。

磁场定向控制方式同样包含两路电流环路，一路用于控制目标Q轴转矩，另一路用于抑制非必要的D轴转矩。Q轴转矩环路接收位置环路（或速度环路）控制器输出的指令电流；D轴环路以零为控制指令，从而最大程度削弱无效的直轴转矩分量。

相较于常规电流控制加换相的方案，磁场定向控制具备哪些优势？答案是更高的极限转速，以及电机高速运转状态下更优的运行效率。需要注意的是，直线无刷直流电机每秒电气相位转速普遍较低，因此采用磁场定向控制几乎没有优势。

从工程应用角度来看，磁场定向控制的使用难度与标准比例积分电流控制基本相当。控制器内部的磁场定向控制算法逻辑复杂，但该部分复杂流程通常对用户完全屏蔽。整定磁场定向控制的电流控制参数时，依旧需要设定比例系数与积分系数，该过程一般由自动整定工具完成，绝大多数运动控制厂商都会为客户配备此项功能。

磁场定向控制能够提升无刷直流电机高速工况下的运行效率、降低发热，是一项至关重要的控制技术。该方案过去属于高端控制手段，而随着新一代电机控制微控制器与数字信号处理器的普及，现已成为通用标准功能。在高性能位置控制或速度控制的旋转式无刷电机驱动场景中，磁场定向控制通常为最优方案。

无刷直流电机的电压模式控制

在无刷直流电机控制器的电流控制环节中，也可完全不启用主动电流控制，该运行模式即电压模式控制。电压模式控制的核心优势在于成本低廉，通常仅需配置开关桥路即可实现。

电压模式控制是否存在安全隐患？确实存在，尤其在电机启动或堵转工况下。若无电流控制或限流保护措施，绕组极易出现过流问题，进而造成电机损坏。高速专用电机的线圈电阻普遍偏低，因此该类电机在电压模式下的过流风险更为突出。

无刷直流电机的电压模式控制是否具备实际应用场景？尽管存在诸多局限性，但其应用范围仍然广泛，例如散热风扇、水泵、压缩机、高速手术钻、电动剃须刀等设备。此类场景无需对电机转速或转矩进行精准调控，电机反电动势及负载阻力会自然限制转速区间。

无刷电机功率放大器

无刷直流电机控制器的最后一个核心组成部分为功率放大器。该器件通过功率开关器件调节输出电压，使实际电流最大程度贴合指令电流。电机放大器存在多种拓扑结构，其中，带桥臂电流采样的三半桥架构，是高性能位置控制与速度控制领域应用最广泛的方案。这款数控开关式功率放大器的接线结构如图4所示。

图4：带桥臂电流采样的三半桥放大器。

半桥是一种具备三种工作状态的开关桥电路：可将电机绕组端完全接入电机供电电压（图4中标注为高压HV）；可将绕组接地；也可使电机绕组保持悬空断开状态。

该桥路的通断控制信号分为高端与低端独立控制信号，由脉冲宽度调制（PWM）信号驱动。脉冲宽度调制信号以固定频率运行，中小型无刷直流电机的工作频率通常为20kHz至100kHz，并通过改变占空比调节放大器的输出电压。

调节脉冲宽度调制信号的占空比，可实现等效模拟电压输出控制。例如，当供电高压为24V，且脉冲宽度调制占空比设定为20%时，电机绕组承受的有效电压为24V×0.20，即4.8V。

该桥路架构的电流检测依靠采样电阻实现（也可选用模拟霍尔传感器）。采样电阻会输出与电流成正比的检测信号（图4中标注为A相电流、B相电流、C相电流），每路电机绕组各对应一路采样信号并输送至电流控制环路。各桥臂电流传感器的模拟输出信号经过滤波处理后，送入模数转换器，供实时微控制器或数字信号处理器完成电流运算处理。

开关桥电路的设计与时序逻辑，与各电机线圈的电流检测时序设计紧密关联。尽管该项技术已有至少二十年成熟应用历史，但桥臂电流采样方案的时序配合及配套运算处理逻辑较为复杂，这里不再赘述。

结语

相较于传统电机放大器，现代数字放大器性能大幅提升。结合脉冲宽度调制开关桥路与电流采样电阻的一体化设计，最终打造出高性价比、超高能效的功率放大装置，可实现高精度电压放大与精准电流检测。