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1. 120° 方波换相1.1 综述1.2 输出电压和电流模型1.3 反电动势1.4 120°换相过程中的中性点电压2. 实际电机换相电压波形2.1 二极管续流周期2.2 电压波形的t1, t2, t3, t4, t5, 和 t6 周期2.3 特殊波形分析3. 换相原理3.1 基于霍尔传感器换相控制原理3.2 无感换相控制原理3.2.1 无感转子位置检测
本篇文章为TOSHIBA无刷电机120°方波控制应用手册译文，你可以在这里找到原文。本文对120°方波控制技术介绍简洁全面，特别是对于电压波形分析，有利于开发人员掌握原理，分析波形。
文档介绍了无刷直流电机120°方波换相方法，聚焦换相波形、霍尔传感器转子位置检测、无感时基于反电势过零点的转子位置检测。
1. 120° 方波换相
1.1 综述
无刷电机 120°换相由三相桥逆变器控制，一相上桥臂打开，另一相下桥臂打开，而最后一相上下桥臂均关闭。图 1.1 显示逆变器电路和电流路径。
图1.2 在三桥六臂驱动逆变电路中，使用120°方波换相方法，六个臂切换模式。示意图中，在一个周期中（360°），首先，上桥臂 120° 电气角连通电源，60° 断开。接着下桥臂 120° 接地，60° 断开。
图1.3 展现120°方波换相周期内， U 相相较于中性点电压和 U-V相间电压的变化规律。该种换相方法，一次总是导通两个线圈， 因此 U 相相较于中性点电压总是 ，但实际时还要考虑到电机旋转感应电动势-反电动势（back-EMF）。
对于 120 度换相，其实有许多控制方法，比如 PWM。下表根据一个电气周期里，逆变器上下桥臂驱动信号作了如下分类。
这里解释下互补 PWM（Complementary PWM），其是一种用于控制全桥或半桥电路的技术，常用于电机驱动和功率转换应用。它涉及两个互补的PWM信号，分别控制同一桥臂的高侧和低侧开关。其主要有如下特点：
- 两个PWM信号是互补的：当一个信号为高电平时，另一个信号为低电平。这确保一个桥臂的两个开关不会同时导通，避免直通故障。
- 为了防止高侧和低侧开关同时导通，通常在信号之间插入一个短暂的“死区时间”（Dead Time）。这段时间内，两个开关都处于关闭状态。
为什么互补方式切换更好?
互补的好处是上管关断的瞬间电流可以由下管续流而不经过 MOS 管的内部续流二极管，以免在大电流时造成MOS管的烧坏。
1.2 输出电压和电流模型
图 1.5 显示逆变回路中 U相的输出电压和电流波形。在换相过程中，有一个电气周期内存在一个阶段，U相不导通，无电流通过，V、W两相导通，此时 U相电压应该等于 ，V、W绕组中性点电压，而实际上，有运动产生的反电势会叠加在U相终端电压上。
上图，比较难理解的是换相时刻两个突变，这是换相消磁现象，即空线圈换相续流的过程。在换相续流过程中，悬空线圈的电压要么近似等于GND，要么近似等于VM。续流时间的长短与电流大小有关，电流越大续流时间就越长；电流越小续流时间就越短，甚至有可能在示波器是看不到。这里解释的比较详细。同样的原因，在下文 2.1 换相周期也做了解释。
1.3 反电动势
， 为反电动势电压，ke 为反电动势常数，N为转速
1.4 120°换相过程中的中性点电压
端电压 ，V 相和 W 相绕组分别和 Vcc 及 GND 连接，因此，=和=0。此时电流从VDD 流到GND，由于V 相和 W 相绕组上压降相等，因此，中性点电压：
公式1
从图1.10 看，公式1也可以这么理解，中性点电压小于Vcc/2，小于的量等于。
U 相、V 相和 W 相三相绕组上的反电势 是正弦波，正比于旋转速度，和电气角度 有关。
公式2
从公式2可得
公式3
带入公式1，可得
公式4
中性点电压是U相未导通时电压，类似情况可以应用到 V 相和 W 相。
由于电流并未流过U相，并无压降通过该相绕组，因此
公式5
将公式4替代进入公式5，可得
公式6
U端电压如此，类似情况可以应用到 V 相和 W 相。
2. 实际电机换相电压波形
表 1.1 列出了不同的换相方法，图 2.1 即其中一种，上桥臂使用 PWM 控制，下桥臂全开。
而图 2.2 和2.3 即是该种控制方法下实际的U相端电压波形图。
2.1 二极管续流周期
下面两幅图即图2.2中换相阶段A和阶段B
阶段A：前一个阶段，U相下桥臂导通，换相阶段，U相上下桥臂关闭，W相上桥臂一直打开，由于感性原件，电流不会平白消失，而是通过U相上桥臂的续流二极管形成电流回路，不考虑续流二极管压降作用，U相端电压等于VDD。
阶段B：前一个阶段，U相上桥臂导通，换相阶段，U相上下桥臂关闭，W相下桥臂一直打开，电流通过U相下桥臂的续流二极管导通，不考虑续流二极管压降作用，U相端电压等于GND。
2.2 电压波形的t1, t2, t3, t4, t5, 和 t6 周期
图2.6 显示逆变器换相时序过程中t1、t2、t3、t4、t5、t6六个阶段，下面分别分析六个阶段电压波形的变化规律。
- t1 阶段电压
- 当 输出 PWM 波，根据 1.4 节分析内容：当V、W 两相导通 ，因此 U 相终端电压等于中性点电压和反电动势叠加。
- 当 PWM波由ON转化为OFF后，=0 和=0，，由于第一阶段，反电动势为负值，因此这个阶段 保持为0。
- t2 阶段电压
- 当 为 ON，U相电压公式和 t1 阶段一致
- 当 为 OFF，U相电压公式和 t1 阶段一致，但反电势为正值
- t3 阶段电压
- 当 为ON，=VDD。
- 当 为OFF，=0 。
- t4 阶段电压
和 t2 阶段类似，只是 t2 阶段，W 上桥臂和 V 下桥臂切换，而 t4 阶段，为 W 下桥臂和 V 上桥臂切换。
- t5 阶段电压
和 t1 阶段类似，只是 t3 阶段，W 上桥臂和 V 下桥臂切换，而 t5 阶段，为 W 下桥臂和 V 上桥臂切换。
- t6 阶段电压
U 相下桥臂一直打开，U相和 GND相连，电压为0。
2.3 特殊波形分析
3. 换相原理
BLDC 电机控制，需要检测转子位置，然后在定子上施加对应的磁场方向（控制上，即通过功率开关打开和关闭，形成对应的电流回路）。120°换相方式中，检测转子的位置有两种方式：霍尔传感器和无感转子位置检测。
3.1 基于霍尔传感器换相控制原理
霍尔传感器常使用来检测转子位置，三个传感器头可按间隔 120 度来安装，则 3 个霍尔传感器输出波形相差 120 度电度角，输出信号中高、低电平各占 180 度电度角。
根据 Ha、Hb、Hc 输出信号，组成三位二进制编码，可以判断电机所处扇区，周期性切换线圈磁场。在六步换相控制中， 可以通过正反转Hall编码和电机A、B、C三相通断关系真值表，确定电机控制的时序。
下图展示一个电气周期中，终端电压、反电动势电压、霍尔传感器在每相的变化规律。
下图说明逆变器控制和霍尔传感器信号正时关系。
上图正时关系可以转化为真值表，通过真值表，可以根据霍尔输出来控制逆变器。
3.2 无感换相控制原理
不加装任何传感器，也可以通过反电动势判断转子位置。
- 终端电压不合适用于分析反电动势，因为叠加了驱动电压；对于120°换相方法，两相导通时，有一相未导通。反电动势在未导通相上没有驱动电压影响，显示了出来。比如下图中back-EMF Exposure period 即是U相反电动势暴露周期（对应上文所指示的 t1 ,t2 和 t4,t5 阶段）。
- 更具体的，我们通过这两段的过零点作为换相标志。三相电机，每一相在360°电气周期内有两个过零点，三相电机总共有6个过零点，每60度可以检测到一个。通过这些信号控制逆变器。
3.2.1 无感转子位置检测
模拟方法
- 终端电压进行RC滤波
- 和参考电压比较检测过零点
- 生成控制信号
- Author:felixfixit
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