BLDC ESC 无刷直流电子调速器工作原理

[1. 源由](#1. 源由)
[2. Electromagnetic effect](#2. Electromagnetic effect)
[3. BLDC commutation(换向)](#3. BLDC commutation(换向))
[4. Feedback for commutation(换向)](#4. Feedback for commutation(换向))
[5. Detect phase & position from BEMF](#5. Detect phase & position from BEMF)
[6. Control circurity design](#6. Control circurity design)
[7. 参考资料](#7. 参考资料)
[8. 补充](#8. 补充)
- [8.1 Motor Winding](#8.1 Motor Winding)
- [8.2 Mechanical v.s. Electrical cycle](#8.2 Mechanical v.s. Electrical cycle)

1. 源由

在更好的了解控制实现之前，首先有必要了解ESC的工作原理。

搞物理同学，估计一看这些图就知道了。因为只有了解了这个底层逻辑，才能帮助更好的了解工作原理，从而发现细微之处，更深层次的理解参数特性，才能更好的进行设计。

2. Electromagnetic effect

电磁效应指的是电流产生磁场或磁场影响电流的现象。这个效应是电磁学的基础，主要包括两个方面：

电流产生磁场：当电流通过导体时，会在导体周围产生磁场。这个现象由奥斯特发现，称为电流的磁效应。具体来说，电流的方向决定了磁场的方向（可以用右手定则来判断）。
磁场对电流的作用：当一个导体处于变化的磁场中时，导体中会产生电流，这称为电磁感应。这一现象由法拉第发现，广泛应用于发电机、变压器等设备中。

在BLDC ESC设计中充分应用了这两个特性： 奥斯特磁效应 & 法拉第电磁感应

3. BLDC commutation(换向)

电流流过线圈形成磁极，这个电磁极一直吸引着永磁体，从而中间的转子就跟着旋转起来，电机也就运动了。只要保持正确的时间使能电磁极，就能始终让转子朝一个方向旋转，此时，电能转换成动能+热能( I 2 R I^2R I2R)。

4. Feedback for commutation(换向)

换向的反馈部件通常有以下四种：

Resolver
Optical Encoder
Hall-effect

BEMF, Back ElectroMotive Force

正弦波
梯形波

Faraday's Law V B E M F = − N Δ ( B ∗ A ) Δ t = ω ∗ K e ∗ sin ⁡ ( θ + φ ) V_{BEMF} = -N \frac {\Delta (B*A)} {\Delta t} = \omega * K_e * \sin (\theta + \varphi) VBEMF=−NΔtΔ(B∗A)=ω∗Ke∗sin(θ+φ)

N: number of turns

Δ ( B ∗ A ) \Delta (B*A) Δ(B∗A): change in magnetic field

A: Area

Δ t \Delta t Δt: change in time

K e K_e Ke: motor BEMF constant in mV/Hz

θ \theta θ: rotor angle

ω \omega ω: motor speed in Hz

φ \varphi φ: offset of phase

注：因为这里主要讲BLDC ESC采用BEMF用于飞控的场景，所以后面将会围绕BEMF展开。

5. Detect phase & position from BEMF

BEMF通常是3相6各阶段，如下图所示：

当B/C相按如下方向通电，引导永久磁芯旋转；A相不通电，但是由于切割磁力线，发生法拉第效应，产生BEMF。

通过模拟电路可以如下方式获取BEMF电动势。

根据公式，通过当前BEMF电动势大小可以映射到当前rotor角度，即进行了转子定位。

6. Control circurity design

控制电路的逻辑上主要处理以下两个大问题：

驱动ABC相，吸引磁极运动
控制门电路，检测传感信号

大体上，控制逻辑通过MOSFET进行门电路控制导通

现实AM32设计框图参考：

由于是大功率、大电流设计，还需要考虑一些额外的保护：

Over current protection (OCP)
Thermal shutdown
Uder-Voltage lock-out (UVLO)
Shoot Through
Lock detect
Anti-Voltage surge (AVS)

7. 参考资料

【1】BLDC ESC 无刷直流电子调速器简介

【2】AM32开源代码之工程结构

8. 补充

8.1 Motor Winding

8.2 Mechanical v.s. Electrical cycle

Mechanical cycle: Time for the motor to travel one full revolution
Electrical cycle: Time for the rotor to pass a pair of poles

m e c h a n i c a l c y c l e = e l e c t r i c a l c y c l e ∗ # o f p o l e p a i r s {mechanical cycle} = {electrical cycle} * {\# of pole pairs} mechanicalcycle=electricalcycle∗#ofpolepairs
m e c h a n i c a l s p e e d = e l e c t r i c a l s p e e d # o f p o l e p a i r s {mechanical speed} = \frac{electrical speed} {\# of pole pairs} mechanicalspeed=#ofpolepairselectricalspeed