【经验】三相无刷直流电机的三种PWM调制方式和PWM占空比的计算
三相无刷直流电机的调制方式：方波120度脉宽调制(120Degree-PWM)、正弦脉宽调制(SPWM)和空间矢量脉宽调制(SVPWM)，本文华芯微特将对各自方式的原理、SVPWM7段式与5段式特性、SPWM和SVPWM需要的角度推算以及PWM占空比的计算做出详细介绍。
BLDC(Brushless Direct Current)无刷直流电机已在家用电器、汽车、医疗、工业设备等领域被广泛使用，三相无刷直流电机是更主流产品。
图1为三相无刷直流电机的驱动部分示意图，主要包括霍尔信息的采集，以及根据霍尔信号对三相逆变器做对应的调制，三相逆变器PWM的开关顺序已经PWM的占空比是调制的主要内容，不同的调制方式对BLDC的运行性能有很大影响，近年来随着电机控制系统越来越精细，在原来常见的方波120度脉宽调制基础上，正弦脉宽调制(SPWM)和空间矢量脉宽调制(SVPWM)出现，使电机脉动降低、电流波形畸变减小，但后两者的算法比较复杂，本文将对三种调制方式逐一地介绍其特性、原理及计算细节。
图1：三相无刷直流电机驱动示意图
1. 方波120度脉宽调制
利用霍尔值(每个电气周期6次变化)，改变UVW相电流流向，但同一霍尔值内电流流向不变，任何时刻只能一相的上桥和另一相的下桥导通，这种控制方式简单，但存在最大60度的转矩偏角，效率降低，同时会伴有转动噪音。
图2： Hall状态与PWM、三相反电动势、三相电流的对应关系
在上桥下桥PWM开关控制顺序不同，可以做出下面5种模式的选装。
图3：上桥下桥PWM开关控制顺序不同的5种模式
2. 正弦脉宽调制(SPWM)
叠加在MOS管的直流电压可以通过PWM开关控制来等效成正弦电压，由于中性点为0，因此电机的相电压也为正弦，从而使得电机相线电流也成正弦变化规则，消除了转矩波动。根据面积等效原理，正弦波还可以等效成PWM波。如图5所示，通过这种方式需要不停的调整PWM的占空比来实现正弦电压效应。
图4：正弦波与PWM波的等效图
正弦脉宽调制需要知道ωt的详细值，而从$霍尔元件只可以读取到60°120°180°240°360°这个6个大体的位置信息，所以需要从前几次霍尔值变化的间隔时间推算出60度内的内角度。在电机静启动情况下，无法推算出内角度信息，因此启动情况下，还是要采用方波120度脉宽调制方式启动，但电机得到一个稳定转动后，可以推算出内角度，就可以切换成正弦脉宽调制方式。
推算内角度方法：如图首先计算出每个60°需要的时间，除以PWM周期的时间可以计算出60°内PWM的次数，从而得到60°内每增加1个PWM时内角度增加的值，在加上通过霍尔值对应的大角度值就得到当前的角度;UVW三相彼此相差120°相位。
举例：PWM基本周期频率20KHz(50μs)，8极对电机，在转速2000r/m时，求角度变化值
1) 2000r/m*8 = 16000hall/m (每分钟的霍尔电气周期)
2)16000/60 = 266.67hall/s (每秒的霍尔电气周期)
3)1/266.67 = 3.75ms (每个霍尔周期需要的时间)
4)3.75ms/6 = 625μs (每60度需要的时间)
5)625μs/50μs = 12.5次 (每60度内PWM周期的次数)
6)60°/12.5=4.8° (每个PWM周期增加的角度值)
然后通过SWM201查询代码中内置的sin函数值，在叠加上力矩输出要求的百分比，这样就可以在每次PWM周期结束后立即修改PWM的占空比，使其得到正弦脉宽调制方式。
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产品型号
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品类
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Supply Voltage(V)
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Driver Voltage(V)
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LDC
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Gate
Driver
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Max
Frequency
(MHz)
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Flash
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SRAM
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I/0
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Timer Super
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Base
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SysClk
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WDT
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RTC
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PWM
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Cordic
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DIV
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QEI
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UART
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I2C
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SPI
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CAN
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I80
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SAR ADC
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OP/CMP
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Package
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Chip Size
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SWM201C6T7-50
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32位微控制器
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2.5-5.5
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0
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0
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0
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60
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32
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8
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43
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2
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4
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1
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1
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1
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8
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1
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1
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1
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2
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1
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1
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0
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0
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1(12)
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3/4
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LQFP48
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7.0*7.0mm,e=0.5
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