端电压、相电压、线电压别还傻傻分不清楚

大家好，我是张飞实战电子的赵云老师，今天给大家讲解端电压、相电压、线电压的区别。

一、前言

在教学过程中，发现有一些学员对端电压、相电压、线电压的概念比较模糊，所以这篇文章打算详细的介绍一下这三个概念，并用实际波形来给大家展示不同控制方式下的端电压、相电压、线电压的波形实际都是什么样的，以达到让大家对这几个概念不再模糊的目的。

下图一给出三相逆变桥跟三相永磁同步电机(解释方波控制波形时也等效为直流无刷电机)连接示意图，后面给出的概念，均参照该图中的标号定义。

图一：三相逆变桥与三相永磁同步电机连接示意图

二、端电压、相电压、线电压概念介绍

网络上，有很多资料对端电压跟相电压的概念描述很是模糊，甚至把端电压跟相电压的概念有时候都混为一谈，下面先给出三个电压的概念介绍，并以图片的形式表示出来，帮助大家加深印象。

端电压：在三相逆变桥与三相永磁同步电机连接示意图中，三相线(U,V,W)相对于参考点o所测量得到的电压称为端电压。

下图二中，Uao，Ubo，Uco就表示三相端电压。

图一：三相逆变桥与三相永磁同步电机连接示意图

二、端电压、相电压、线电压概念介绍

网络上，有很多资料对端电压跟相电压的概念描述很是模糊，甚至把端电压跟相电压的概念有时候都混为一谈，下面先给出三个电压的概念介绍，并以图片的形式表示出来，帮助大家加深印象。

端电压：在三相逆变桥与三相永磁同步电机连接示意图中，三相线(U,V,W)相对于参考点o所测量得到的电压称为端电压。

下图二中，Uao，Ubo，Uco就表示三相端电压。

图三：三相相电压测量示意图

但一般电机的星型连接点N都不会引出来，所以一般来说是无法直接测量得到相电压。如果想看相电压波形，可用远远大于电机相电阻的电阻模拟出星型连接点，测量三相线U，V，W相对于模拟星型连接点N1的电压，也可等效反映相电压。所以下图四为虚拟星型点测量等效相电压的示意图。

下图四中，UaN1，UbN1，UcN1就表示三相等效相电压。

图四：三相等效相电压测量示意图

线电压：在三相逆变桥与三相永磁同步电机连接示意图中，三相线(U,V,W)取任意两根相线所测量得到的电压称为线电压。

下图五中，Uab，Ubc，Uca就表示其中三路线电压。

图五：三相等效线电压测量示意图

二、不同控制方式下测量的端电压、线电压、相电压波形

1. 方波控制时，测量的端电压波形、线电压波形、相电压波形

图六：方波控制端电压及线电压波形测量图

从波形上看，滤波前，因为开关管是PWM控制的，所以端电压波形、相电压跟线电压波形中含有开关斩波，滤波后，可以看到端电压是梯形波，而滤波后的线电压也是梯形波。

因为测量电路没有加滤波电路，所以这里仅展示滤波前相电压波形。

2. SPWM控制时，测量的端电压波形、线电压波形

图七：SPWM控制端电压波形测量图

图八：SPWM控制线电压波形测量图

SPWM控制中，从测量波形上看，端电压及线电压也含有开关斩波，通过展开波形观察，端电压波形中是脉冲宽度逐渐变化的脉冲波，而滤波后的端电压跟线电压均是正弦波，又因为相电压跟线电压只是有幅值上的差异，所以也可以得出SPWM控制的相电压也是正弦波。

因此，SPWM控制中，端电压、相电压、线电压均是正弦波，但是观察到这些波形需要对原始测量波形进行低通滤波。

3. SVPWM控制时，测量的端电压波形、线电压波形

图九：svpwm控制端电压及线电压波形测量图

SVPWM控制中，从测量波形上看，端电压及线电压也含有开关斩波，而滤波后的端电压是马鞍波，线电压是正弦波，又因为相电压跟线电压只是有幅值上的差异，所以也可以得出SVPWM控制的相电压也是正弦波。

因此，SVPWM控制中，端电压是马鞍波、相电压、线电压均是正弦波，但是观察到这些波形需要对原始测量波形进行低通滤波。

当然，这些波形的关系，也可以通过相关的数学推导得出，有志者可以自行推导，也可以关注张飞实战电子FOC电机驱动线上班，课程中会有详细讲解。

三、总结

本篇文章，通过对端电压、相电压、线电压三个概念的介绍，力求让大家对这三个概念别再混淆不清。而且也有很多工程师对不同控制方式下的端电压、相电压、线电压波形不是很清楚，本文也通过实际的波形测试，为大家展示了三者各自对应的波形示意图。

希望各位读者阅读完这篇文章后，以后再碰到类似问题，能够轻松的说出这些波形的测试方式以及对应的波形形状。

本篇文章，就给大家分享这么多内容，关于更多电机驱动原创相关的知识分享，欢迎大家持续关注张飞实战电子！

直流无刷电机启动问题

大家好，我是张飞实战电子的赵云老师，今天给大家分享直流无刷电机启动问题。

直流无刷电机的启动需要知道当前转子所在位置，有传感器时可通过传感器获得转子位置信息。但在无位置传感器情况下如果不能精确地估算出转子的初始位置，将会引起电机抖动甚至失步，从而无法启动。使用最广泛的转子预定位方法，是给定一个确定的定子磁场方向，让转子旋转到转子磁场与定子磁场方向重合的位置。这就相当于已知转子位置，从而可以正确启动。如下图一所示：

图一：直流无刷电机转子预定位示意图

电机启动前，存在让转子自然静止的阻力。定子合成磁场与转子磁场的夹角决定了转子定位转矩的大小。定位转矩必须克服阻力转动至预定角度以便正确启动。但是转子的初始位置是随机不确定的，这就表示转子收到的定位转矩也是不确定的。当定位转矩小于使转子克服阻力进行预定位时，将会导致启动失败。而这些无法预定位的角度被称之为预定位盲区如图一(b)所示阴影区域。当转子静止时，其对应的盲区可以根据下列公式计算出来：

当定子合成磁场与转子磁场在盲区附近呈不能转动的夹角时，即便转子不能准确预定位到指定角度，在启动过程中也可通过直流无刷电机转矩—功角自平衡的特性把转子拉入到同步。但当定子合成磁场与转子磁场互为相反，也即是夹角在 180度电角度附近时，这种情况便会发生失步。为解决上述问题，可采用二次定位以确保转子能够正确到达预定角度。具体操作是，在原先施加的定子磁场后再施加一个与之垂直的定子磁场，如此便能保证两次驱动转子转动的过程中避开所有的启动盲区，而使得转子能可靠的完成预定位。

图二：二次定位示意图

这种二次定位的方法虽然实现了直流无刷电机的无位置传感器控制启动，但存在不能适用的工况。例如对于要求带载启动时，该方法便会有启动失步的问题。亦或者要求不能有转动直接启动的工况，该方法亦无法实现。

而高频注入法在初始位置检测时仅仅将高频信号注入到 d 轴，并不会产生转矩使电机旋转。能很好的满足不允许启动转动的场合。关于高频注入算法的一些思想，我们会在后面的文章中提及，欢迎大家继续关注，这篇文章就先分享这么多，谢谢大家。

没有隔离探头如何确定霍尔信号与反电动势的关系？

大家好，我是张飞实战电子的赵云老师，今天给大家分享没有隔离探头如何确定霍尔信号与反电动势的关系？

一、简介

在有霍尔传感器方波控制策略中，我们通常都必须要知道霍尔信号与绕组通电相序的关系，这样才能根据霍尔信号的状态变化，来给相应的绕组通电。而很多开发者都无法或者不好找到一个准确确定霍尔信号与绕组通电相序对应关系的方法。

那么，我们本篇文章，根据相反电动势与相电压波形同向的原理，通过测量及推导得出霍尔信号与相反电动势关系，从而得到霍尔信号与相电压的关系，最终准确确定出霍尔信号与绕组的通电相序。这样的方法，可以保证我们给出的霍尔状态与绕组通电相序在我们编写的程序第一次运行时，就能够成功让电机正常转动起来。

在《干货：实际测量三相直流无刷电机反电动势波形》这篇文章中，作为铺垫，我们讲了如何通过示波器测量电机的相反电动势及线反电动势的波形，但是这种方法，如果要再测量霍尔信号与反电动势的波形，就需要用到隔离探头了，而考虑到大多数人手中没有隔离探头，所以我们希望找到一种不用隔离探头的方法，也能准确的确定出霍尔信号与反电动势的关系。

接下来，我们就一起来看下不用隔离探头去测量霍尔信号与反电动势波形关系的方法该怎么实现？

二、不用隔离探头测量霍尔信号与线反电动势波形关系
1、准备工作

准备好待测电机、给待测电机霍尔传感器供电的开发板、示波器等，如下图一所示：

图一：测试霍尔信号与反电动势信号需准备的工具

本次测量，我们不再用其它拖动电机来拖动待测电机，而是使用手来转动待测电机轴然后利用示波器的触发功能来捕捉测量信号。

2、动手测量

在正式测量之前，先明确测量步骤，这样可以指导我们顺利的完成测量工作。具体测试步骤如下：

第一步：示波器通道一连接三相电机相线A与GND(g)的信号，通道二连接三相电机相线B与GND(g)的信号，通道三测量霍尔信号A与GND(g)的信号。顺时针转动电机测量相关波形，这一步测量完成后，得到Eag，Ebg，HALLA三个波形。然后，利用示波器的Math功能，让示波器的通道一减去通道二(Eag - Ebg = Eab)，就可以得到线反电动势Eab的波形，此时可以找出Eab跟HALLA的关系。若HALLA的上升沿跟下降沿不能对应上Eab的过零点，则通道三更换HALLB，若HALLB的上升沿跟下降沿还是不能对应上Eab的过零点，则通道三更换HALLC。最终，我们可以得出Eab与其中一个霍尔信号的对应关系。第一步测试结束。该步测试波形如下几幅图所示：

图二：测试得到的Eab与HALLA的波形关系

图二中，HALLA信号的沿跳变处没有跟Eab的过零点对应，所以通道三需要更换为HALLB，更换后，测试波形如下图三所示：

图三：测试得到的Eab与HALLB的波形关系

从图三来看，HALLB的沿跳变已经跟Eab的过零点对应上了，所以第一步测试，可以得出Eab跟HALLB的波形关系。

第二步测试：示波器通道一连接三相电机相线A与GND(g)的信号，通道二连接三相电机相线C与GND(g)的信号，通道三测量霍尔信号A与GND(g)的信号。顺时针转动电机测量相关波形，这一步测量完成后，得到Eag，Ecg，HALLA三个波形。

与第一步一致，用示波器的Math功能，得出通道一减去通道二的波形，即可确定Eac与HALLA的波形关系。测试如下几幅图所示：

图四：测试得到的Eac与HALLA的波形关系

如上图四，我们可以看出，Eac的过零点能够对应上HALLA的沿跳变，但是Eac的上升过零点对应的是HALLA的下降沿，Eac的下降过零点对应的是HALLA的上升沿，为了便于分析，我们把两者统一，也即是让上升过零点对应HALLA的上升沿，下降过零点对应HALLA的下降沿。因此我们把Math减法通道更换一下，让通道二减去通道一，得出Eca与HALLA的波形关系，如下图五所示：

图五：测试得到的Eca与HALLA的波形关系

至此，通过第二步测量，得到了Eca与HALLA的波形关系。

第三步测试：示波器通道一连接三相电机相线B与GND(g)的信号，通道二连接三相电机相线C与GND(g)的信号，通道三测量霍尔信号C与GND(g)的信号。顺时针转动电机测量相关波形，这一步测量完成后，得到Ebg，Ecg，HALLC三个波形。

与第一步一致，用示波器的Math功能，得出通道一减去通道二的波形，即可确定Ebc与HALLC的波形关系。测试如下图六所示：

图六：测试得到的Ebc与HALLC的波形关系

通过第三步测试，可以确定出Ebc与HALLC的波形关系。

到目前为止，根据三个步骤的测量，成功得出了Eab,Eca,Ebc与HALLB,HALLA,HALLC的波形关系。也就是我们成功利用不用隔离探头确定出了霍尔信号与线反电动势的关系。下一步，需要根据矢量合成图确定线反电动势与相反电动势的关系，从而得出霍尔信号与相反电动势的关系。

三、根据矢量合成图确定线反电动势与相反电动势的关系

前面写过一篇文章《电机控制中矢量图的作用》，在这篇文章中我们画出了下图七所示的基于顺时针建立的三相坐标系中线反电动势与相反电动势的关系。

图七：全坐标系内反电动势矢量及其矢量合成示意图

从图中我们知道，如果电机是顺时针转动，则Eab是超前Ea 30度电角度的，Eca是超前Ec 30度电角度的，Ebc是超前Eb 30度电角度的。根据这个线反电动势与相反转动势的相位关系，可以画出相反电动势与霍尔信号的波形。为了方便分析，下图八绘制出来三路霍尔信号与三路线反电动势的波形关系：

图八：霍尔信号与线反电动势的关系

然后根据从矢量图中得到的相反电动势与线反电动势的相位关系，绘制出如下图九所示的线反电动势跟相反电动势的波形。

图九：线反电动势跟相反电动势波形关系

四、霍尔信号与相反电动势的关系及换相顺序表

最后，把霍尔信号跟相反电动势画在一张图上，可以得出三路霍尔信号与三路三反电动势的波形关系，如下图十所示：

图十：霍尔信号跟相反电动势波形关系

最终，通过相反电动势与相电压波形同向的原理，则就能确定出霍尔信号与绕组通电的准确相序，它们的关系通过下表一列出：

表一：霍尔状态与三相绕组通电相序

五、总结
通过以上方法，配合示波器，我们成功的在没有隔离探头的参与下，确定出了霍尔信号与三相反电动势的波形关系，并确定出三路霍尔信号与绕组的通电顺序表，后面，我们在编写程序的时候，直接按照这个表的通电顺序，当对应的霍尔信号出现时，就给表中对应的通电相序，即可成功将电机转动起来。

后续，会编写程序，利用这个表的关系，去驱动电机，并给提供相关演示。更多电机驱动相关的内容，欢迎大家继续关注张飞实战电子！

无刷直流电机方波、正弦波、FOC控制

大家好，我是张飞实战电子的赵云老师，今天给大家分享无刷直流电机方波、正弦波、FOC控制。

一、简介

无刷直流电机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的，具有无极调速、调速规模广、过载能力强、线性度好、寿命长、体积小、重量轻、出力大等长处，处理了有刷电机存在的一系列问题，广泛使用于工业设备、仪器仪表、家用电器、机器人、医疗设备等各个领域。因为无刷电机没有电刷进行主动换向，因而需求运用电子换向器进行换向。无刷直流电机驱动器完成的便是这个电子换向器的功用。

二、主流的无刷直流电机的控制方法
目前主要有三种：FOC（又称为矢量控制、磁场定向控制）、方波控制（也称为梯形波控制、120°控制、六步换向控制）和电压正弦波控制。那么这3种控制方法都各有什么优缺陷呢？

1. 方波控制
方波控制运用霍尔传感器或者无感估算算法取得电机转子的位置，然后依据转子的位置在360°的电气周期内，进行6次换向（每60°换向一次）。每个换向方位电机输出特定方向的力，因而可以说方波控制的位置精度是电气60°。因为在这种方法控制下，电机的相电流波形接近方波，所以称为方波控制。
方波控制方法的长处是控制算法简单、硬件成本较低，运用功能普通的控制器便能取得较高的电机转速；缺陷是转矩脉动大、存在必定的电流噪声、功率达不到最大值。方波操控适用于对电机滚动功能要求不高的场合。如下图一所示为方波控制的电流波形：

图一：方波控制电流波形

2. 一般正弦波控制
一般正弦波控制方法运用的是SVPWM波，输出的是3相正弦波电压，理论上相应的电流也是正弦波电流，但是因为没有对电流进行控制，所以电流波形并不一定是真正的正弦波。这种方法没有方波控制换向的概念，或许以为一个电气周期内进行了无限多次的换向。显然，一般正弦波控制比较方波控制，其转矩脉动较小，电流谐波少，控制起来感觉比较“细腻”，可是对控制器的功能要求稍高于方波控制，而且电机功率不能发挥到最大值。如下图二所示为一般正弦控制时对应的电流波形及调制波波形(马鞍波)。

图二：一般正弦控制时对应的电流波形及调制波波形(马鞍波)

3. FOC控制
正弦波控制完成了电压矢量的控制，可是无法控制电流的方向。FOC控制方法可以认为是正弦波控制的升级版别，完成了电流矢量的控制，也即完成了电机定子磁场的矢量控制。
因为控制了电机定子磁场的方向，所以可以使电机定子磁场与转子磁场时间保持在90°，完成必定电流下的最大转矩输出。FOC控制方法的长处是：转矩脉动小、功率高、噪声小、动态响应快；缺陷是：硬件成本较高、对控制器功能有较高要求，电机参数需匹配。下图三所示为FOC控制时电机的相电流波形。

图三：FOC控制时，电机相电流波形

三、哪种方法更适合未来的开展？
FOC是现在无刷直流电机（BLDC）和永磁同步电机（PMSM）高效控制的最佳选择。FOC精确地控制磁场方向，使得电机转矩平稳、噪声小、功率高，而且具有高速的动态响应。因为FOC的优势显着，现在已在许多使用上逐步代替传统的控制方法，在运动控制职业中备受瞩目，例如伺服控制领域。

FOC典型控制框图如下图四所示。为了得到电机转子的位置、电机转速、电流等信息作为反应，首先需求收集电机相电流，对其进行一系列的数学变换和预算算法后得到解耦了的易用控制的反应量。然后，依据反应量与目标值的误差进行动态调整，最终输出3相正弦波驱动电机转动。

图四：无传感器FOC矢量控制框图

FOC依照电机有无传感器来区分可以分为有传感器FOC和无传感器FOC。

关于有传感器FOC，因为电机的传感器（一般为霍尔传感器或编码器等）能反应电机转子的位置信息，因而在控制中可以不运用位置估算算法，控制起来相对无传感器FOC简单，可是对带传感器的电机使用来说，往往对控制功能要求较高。
关于无传感器FOC，因为电机不带任何传感器，因而不能通过简单读取传感器的测量值来得到电机转子的位置信息，所以在控制中需求通过收集电机相电流，运用位置估算算法来获取转子位置。虽然无感FOC的控制难度较大，可是它可以防止传感器损坏的危险，而且省去了传感器的本钱，一起简化了电机与驱动板之间的布线。现在，无感FOC多使用在风机、水泵类的场合中。

磁旋转编码器在永磁同步电机位置测量中的应用

一、概述

与直流电机相比，永磁同步电机具有体积小、 效率高、无需维护等优点，在某些应用场景中，由位置传感器精度引起的转矩波动应限制在1％以内，这就要求电机位置传感器具有足够的精度。AS5040磁旋转编码器能够满足高精度、高可靠性、低成本的设计要求。

那么将AS5040磁旋转编码器应用于永磁同步电机位置检测时，需要解决两个问题：一是磁旋转编码器安装位置初始定位，即确定编码器输出的位置信号与电机实际位置角的对应关系；二是获得电机轴开始转动时转子磁极的精确位置。对于永磁同步电机来说，为得到电机轴开始转动时转子磁极的位置，通常采用昂贵的绝对编码器或旋转变压器来达到这样的要求。我们本篇文章探讨的 AS5040磁旋转编码器同样能达到这一使用要求。

图一：AS5040磁编码器芯片的内部框图

二、AS5040工作原理 

AS5040检测转轴角位置时，需在转轴的端部安装一个纽扣形磁铁。AS5040与磁铁的相对位置如下图二所示，其工作原理是通过芯片内部的线性霍尔阵列检测出磁铁的磁场强度分布，从中分离出角度信息。

该磁旋转编码器具有增量角度输出和绝对角度输出功能。增量角度输出信号分为A，B两路， 磁铁相对AS5040旋转一周，A，B通道各输出 256个周期脉冲，两路信号相位相差1／2个脉冲， 可以根据超前或滞后关系判断转动方向，通过4倍频可以获得10位的分辨率。AS5040将绝对角度定义为磁铁的磁极与霍尔阵列间的角度，磁铁每旋转一周，AS5040将输出512个绝对角度信号，通过SPI通讯可将其读出。在绝对角度为0或1023时，INDEX通道将输出一个零位脉冲， 可以利用此信号重置测量值，消除累积误差。

很多系列的单片机中都具有SPI及正交编码器脉冲电路(QEP),例如STM32单片机、TI公司的DSP芯片等，它们都能够处理AS5040绝对角度和增量角度信号。

下图二为使用AS5040系列磁编码器位置检测的工作原理示意图。

图二：磁传感器位置检测示意图

三、AS5040安装位置初始定位

磁旋转编码器安装位置初始定位主要目的是获得在电机位置角为0时对应的编码器绝对角度，根据这一信息可以使得电机位置角与编码器 的绝对角度一一对应。

图三示出了AS5040、磁铁磁极、电机转子磁极，以及电机定子A相轴线四者间的关系。在电机控制系统中，常定义转子磁极与定子A相轴线重合时电机位置角为 0，且逆时针方向为正向。

图三：磁传感器与电机间的位置关系示意

上图三中，α1为AS5040轴线与电机定子A相轴线的交角，AS5040安装到电机端盖上后，α1即被固定；α2为磁铁轴线与电机转子d轴(直轴)的交角，当磁铁安装到电机转子轴上后，α2即被固定；θ为电机定子A相轴线与电机转子d轴的交角，即电机位置角；Ax为AS5040轴线与磁铁轴线的交角，即AS5040绝对角度，可以通过其SSI接口输出，并由单片机或者DSP的SPI读取。

由上图三可以看到，电机位置角可以表示为：θ = Ax - (α1 + α2)，由于Ax可以直接从磁编码器芯片中读取，为了能够求出上述公式中的θ，就需要测量出α1+α2的值。从公式中分析可以进一步得出结果，当θ=0时，直接从传感器芯片中读出的Ax就是α1+α2，我们可以记θ=0时的Ax为A0，θ为θ0,则可以知道A0 = α1+α2。求解处A0之后，再根据Ax的不同，就可以知道转子位置角θ = Ax - A0。

从上面过程可以看到，一个必需的步骤是要在电机位置角θ=0的时刻，从AS5040读出A0。因为电机位置角θ与电机反电动势相位有关，考虑利用反电动势信号捕捉电机位置角θ=0的时刻。

下图四所示的电路引出了电机反电动势信号。在图四中，R是外接电阻，LA，LB，LC是电机定子三相电感，Ra，Rb，Rc是电机定子三相电阻,N是电机三相中心点，N`是模拟中心点。根据上面对电机位置的定义，若R值取得很大，则定子内阻压降以及电感上的感应电压可以被忽略，电机A相反电动势的表达式为：

图四：A相反电动势测量示意图

从上述反电动势公式可以看出，通过检测A相反电动势正向过零点即可表明电机位置角θ是否等于0。下图五是检测A相反电动势正向过零点的示意图。为了获得信噪比较高的反电动势波形，需要利用另外一台电机拖动永磁同步电机以较高的速度作恒速旋转。

图五：反电动势过零点测试示意图

当A相反电动势正向过零点时，单片机（DSP）发生捕获中断。在中断服务子程序中，通过SPI读入AS5040输出的绝对角度信号A0。尽管电机拖动速度很高，由于在反电动势过零点处仍会有毛刺存在，实际捕获过零点时，过零比较器仍会有误触发。在过零比较器的前级串入一个低通滤波器，可解决这一问题。由于电机空载恒速旋转，反电动势是频率正比于转速的正弦波，滤波器引起的延迟可以被精确地补偿。

转子磁极对数为P时，每机械周期A相反电动势将出现P个正向过零点，A0可取AS5040输出的绝对角度信号中最大者。

整个初始定位过程无需手工调整传感器与电机的相对位置，同时在安装时对传感器的安装位置角未作任何要求，从而加快了传感器的安装速度。