對(duì)于無(wú)刷電機(jī)，其電動(dòng)勢(shì)的平衡方程為:

式中，U為電源電壓(V)，E為電樞反電動(dòng)勢(shì)(V)，Iacp為平均電樞電流(A)，racp為電樞繞組的平均電阻(Ω)，AU是功率管飽和壓降(V)，2ΔU對(duì)于橋式換相線路為。

對(duì)于不同的電樞繞組形式和換相線路形式，電樞繞組反電動(dòng)勢(shì)有不同的等效表達(dá)式，但不論哪一種繞組和線路結(jié)構(gòu)，電樞反電動(dòng)勢(shì)可以表示為：

式中，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min），Ke為反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)（V/r/min）。

由式（1）和（2）可知：

可見(jiàn)，在忽略電樞電阻和功率開(kāi)關(guān)壓降的情況下，無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速僅和電樞電壓及磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，其調(diào)速方法：a調(diào)壓調(diào)速；b弱磁調(diào)速兩種，類似于直流有刷電機(jī)調(diào)速。其中，調(diào)壓調(diào)速因采用額定勵(lì)磁可實(shí)現(xiàn)額定轉(zhuǎn)矩輸出，故適用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載基速范圍內(nèi)調(diào)速，且方法簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)而得到廣泛應(yīng)用。

無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)壓調(diào)速方案：晶閘管移相調(diào)壓、DC/DC變換電路調(diào)壓；脈寬調(diào)制PWM技術(shù)調(diào)壓。隨著消費(fèi)和工業(yè)的需求日漸復(fù)雜，CW32生態(tài)社區(qū)所做關(guān)于無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的相關(guān)DEMO，均以脈寬調(diào)制PWM技術(shù)調(diào)壓為準(zhǔn)，并在此基礎(chǔ)上憑借CW32可靠的高性能定時(shí)器滿足客戶多元化需求。

1 晶閘管移相調(diào)壓

如果系統(tǒng)是交流供電，則需要整流電路獲得直流母線電壓。此時(shí)，可以采用晶閘管構(gòu)成可控整流橋，利用調(diào)相方法調(diào)節(jié)直流母線電壓Ubus的大小，如圖1所示。這種控制方法適用于動(dòng)態(tài)性能要求不高的場(chǎng)合。

圖1 可控整流電路調(diào)壓

2 DC/DC變換器調(diào)壓

如果系統(tǒng)是直流供電，則可以用DC/DC變換器調(diào)壓。調(diào)壓調(diào)速原理如圖2所示。圖中變換器用以調(diào)節(jié)電樞電壓達(dá)到無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速的目的；換相電路適時(shí)切換通電繞組使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

圖2 DC/DC變換器調(diào)壓

這種最簡(jiǎn)單的例子，就是在連接的直流母線上串接一個(gè)功率晶體管，用以調(diào)節(jié)給控制器的直流電壓。此功率晶體管可以工作在放大器狀態(tài)，給控制器的電壓可以連續(xù)變化。這種控制方式電路比較簡(jiǎn)單而且有大的帶寬。但是在功率晶體管上的損耗大，系統(tǒng)總效率低，只適用于小功率系統(tǒng)。

3 PWM換相調(diào)壓

最常見(jiàn)的調(diào)壓調(diào)速方法是脈寬調(diào)制技術(shù)，PWM技術(shù)(Pulse Width Modulation)。

PWM技術(shù)可以極其有效地進(jìn)行諧波抑制，在頻率、效率方面有著明顯的優(yōu)點(diǎn)，使逆變電路的技術(shù)性能與可靠性得到了明顯的提高。采用PWM方式構(gòu)成的逆變器，其輸入為固定不變的直流電壓，可以通過(guò)PWM技術(shù)在同一逆變器中既實(shí)現(xiàn)調(diào)壓又實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。由于這種逆變器，只有一個(gè)可控的功率級(jí)，簡(jiǎn)化了主回路和控制回路的結(jié)構(gòu)，因而體積小、重量輕、可靠性高。又因?yàn)榧{(diào)壓、調(diào)頻于一身，所以調(diào)節(jié)速度快、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。

把每半個(gè)周期內(nèi)，輸出電壓的波形分割成若干個(gè)脈沖，每個(gè)脈沖的寬度為t1，每?jī)蓚€(gè)脈沖間的間隔寬度為t2，如圖3所示，則脈沖的占空比γ為：

此時(shí)，輸出電壓的平均值和占空比成正比，所以在調(diào)節(jié)頻率時(shí)，不改變直流電壓的幅值，而是改變輸出電壓脈沖的占空比，也可樣可以實(shí)現(xiàn)變頻變壓的效果，如圖3所示。其中圖3a為調(diào)制前的波形，圖3b為調(diào)制后的波形。與圖3a相比，圖3b的電壓周期增大（頻率降低），電壓脈沖的幅值不變，而占空比則減小，故平均電壓降低。

在實(shí)際應(yīng)用中，一般保持頻率不變，而通過(guò)調(diào)整占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速。

PWM換相調(diào)壓原理如圖4所示，圖中換相電路一方面受轉(zhuǎn)子位置傳感器控制適時(shí)切換功率開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)通電繞組換相，另一方面功率器件導(dǎo)通時(shí)間又受占空比影響從而實(shí)現(xiàn)了輸出電壓的改變。

圖4 PWM調(diào)壓

與圖2相比，PWM方式具有電路簡(jiǎn)單、元件數(shù)量少等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用較為廣泛，但電磁噪聲與損耗較大。對(duì)比見(jiàn)圖5。

圖5 DC/DC和PWM調(diào)壓模式比較

在無(wú)刷直流電機(jī)PWM調(diào)速控制中，調(diào)制波為與轉(zhuǎn)速相關(guān)的直流電平；為降低開(kāi)關(guān)損耗，可采取一個(gè)開(kāi)關(guān)管工作于PWM狀態(tài)進(jìn)行調(diào)壓，而另一個(gè)處于常通狀態(tài)。常見(jiàn)的PWM工作模式見(jiàn)圖6，圖中以120度HALL安裝為例。

圖6 PWM換相調(diào)壓模式

圖中，a）和b）為上橋臂或下橋臂3個(gè)開(kāi)關(guān)管進(jìn)行PWM調(diào)制，另一個(gè)配對(duì)導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)管處于常通狀態(tài)，以0~60°區(qū)間T1、T4導(dǎo)通為例，在HPWM-LON中，T1進(jìn)行PWM調(diào)制（即調(diào)壓），T4為常通，而HON-LPWM中T1、T4的工作模式剛好與此相反，T1常通，T4執(zhí)行PWM調(diào)壓。此模式下逆變器輸出相電壓波形見(jiàn)圖5-15a）。

PWM-ON-PWM模式中，0~360°區(qū)間，任意時(shí)刻僅一個(gè)開(kāi)關(guān)管執(zhí)行PWM調(diào)壓；以0~120°區(qū)間為例，T1先進(jìn)入30°的PWM模式，此刻T4常通；其后60°T1則處于常通狀態(tài)；最后30°T1再次進(jìn)入PWM模式。PWM-ON-PWM模式6個(gè)開(kāi)關(guān)管的工作模式一致，功耗相同，系統(tǒng)可靠性提高，同時(shí)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較小。此模式下逆變器輸出相電壓波形見(jiàn)圖7 b）。

圖7 逆變器輸出電壓

脈寬調(diào)制控制常用于速度調(diào)節(jié)，它以功率開(kāi)關(guān)的占空比變化相當(dāng)于外施加電壓的變化控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。它也可以用于對(duì)繞組電流的控制，實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)、限流、特定電流波形等控制。由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)通常有較高的電感，合適調(diào)制頻率下電機(jī)電流接近于連續(xù)，波動(dòng)較小。調(diào)制頻率通常在1~30~50KHZ之間選擇。