BLDC電機控制算法

無(wú)刷電機屬于自換流型（自我方向轉換），因此控制起來(lái)更加復雜。BLDC電機控制要求了解電機進(jìn)行整流轉向的轉子位置和機制。對于閉環(huán)速度控制，有兩個(gè)附加要求，即對于轉子速度/或電機電流以及PWM信號進(jìn)行測量，以控制電機速度以及功率。BLDC電機可以根據應用要求采用邊排列或中心排列PWM信號。大多數應用僅要求速度變化操作，將采用6個(gè)獨立的邊排列PWM信號。這就提供了的分辨率。如果應用要求服務(wù)器定位、能耗制動(dòng)或動(dòng)力倒轉，推薦使用補充的中心排列PWM信號。為了感應轉子位置，BLDC電機采用霍爾效應傳感器來(lái)提供定位感應。這就導致了更多線(xiàn)的使用和更高的成本。無(wú)傳感器BLDC控制省去了對于霍爾傳感器的需要，而是采用電機的反電動(dòng)勢（電動(dòng)勢）來(lái)預測轉子位置。無(wú)傳感器控制對于像風(fēng)扇和泵這樣的低成本變速應用至關(guān)重要。在采用BLDC電機時(shí)，冰箱和空調壓縮機也需要無(wú)傳感器控制。

空載時(shí)間的插入和補充：大多數BLDC電機不需要互補的PWM、空載時(shí)間插入或空載時(shí)間補償�？赡軙�(huì )要求這些特性的BLDC應用僅為高性能BLDC伺服電動(dòng)機、正弦波激勵式BLDC電機、無(wú)刷AC、或PC同步電機。

控制算法

許多不同的控制算法都被用以提供對于BLDC電機的控制。典型做法是，將功率晶體管用作線(xiàn)性穩壓器來(lái)控制電機電壓。當驅動(dòng)高功率電機時(shí)，這種方法并不實(shí)用。高功率電機必須采用PWM控制，并要求一個(gè)微控制器來(lái)提供起動(dòng)和控制功能。

控制算法必須提供下列三項功能：

• 用于控制電機速度的PWM電壓
• 用于對電機進(jìn)整流換向的機制
• 利用反電動(dòng)勢或霍爾傳感器來(lái)預測轉子位置的方法

脈沖寬度調制僅用于將可變電壓應用到電機繞組。有效電壓與PWM占空比成正比。當得到適當的整流換向時(shí)，BLDC的扭矩速度特性與以下直流電機相同�？梢杂每勺冸妷簛�(lái)控制電機的速度和可變轉矩。

功率晶體管的換向實(shí)現了定子中的適當繞組可根據轉子位置生成的轉矩。在一個(gè)BLDC電機中，MCU必須知道轉子的位置并能夠在恰當的時(shí)間進(jìn)行整流換向。

BLDC電機的梯形整流換向

對于直流無(wú)刷電機采用所謂的梯形整流換向是簡(jiǎn)單的方法之一。

圖1：用于BLDC電機的梯形控制器的簡(jiǎn)化框圖

在圖1中，每要通過(guò)一對電機終端來(lái)控制電流，而第三個(gè)電機終端總是與電源電學(xué)上斷開(kāi)。嵌入大電機中的三種霍爾器件用于提供數字信號，它們在60度的扇形區內測量轉子位置，并在電機控制器上提供這些信息。由于每次兩個(gè)繞組上的電流量相等，而第三個(gè)繞組上的電流為零，這種方法僅能產(chǎn)生具有六個(gè)方向其中之一的電流空間矢量。隨著(zhù)電機的轉動(dòng)，電機終端的電流在每轉60度時(shí)，實(shí)現電開(kāi)關(guān)（整流換向），因此電流空間矢量總是在90度相移的接近30度的位置。

圖2：梯形控制：驅動(dòng)波形和整流處的轉矩

因此每個(gè)繞組的電流波型為梯形，從零開(kāi)始到正電流再到零然后再到負電流。這就產(chǎn)生了電流空間矢量，當它隨著(zhù)轉子的旋轉在6個(gè)不同的方向上進(jìn)行步升時(shí)，它將接近平衡旋轉。在像空調和冰箱這樣的電機應用中，采用霍爾傳感器并不是一個(gè)不變的選擇。在非聯(lián)繞組中感應的反電動(dòng)勢傳感器可以用來(lái)取得相同的結果。這種梯形驅動(dòng)系統因其控制電路的簡(jiǎn)易性而非常普通，但是它們在整流過(guò)程中卻要遭遇轉矩紋波問(wèn)題。

BLDC電機的正弦整流換向

梯形整流換向還不足以為提供平衡、精準的無(wú)刷直流電機控制。這主要是因為在一個(gè)三相無(wú)刷電機（帶有一個(gè)正統波反電動(dòng)勢）中所產(chǎn)生的轉矩由下列等式來(lái)定義：轉軸轉矩=Kt [IRSin（o）+ISSin（o+120）+ITSin（o+240）]

其中：

o為轉軸的電角度
Kt為電機的轉矩常數
IR，IS和IT為相位電流

如果相位電流是正弦的：IR=I0Sino；IS=I0Sin（+120o）；IT=I0Sin（+240o）
將得到：轉軸轉矩=1.5I0*Kt（一個(gè)獨立于轉軸角度的常數）正弦整流換向無(wú)刷電機控制器努力驅動(dòng)三個(gè)電機繞組，其三路電流隨著(zhù)電機轉動(dòng)而平穩的進(jìn)行正弦變化。選擇這些電流的相關(guān)相位，這樣它們將會(huì )產(chǎn)生平穩的轉子電流空間矢量，方向是與轉子正交的方向，并具有不變量。這就消除了與轉向相關(guān)的轉矩紋波和轉向脈沖。為了隨著(zhù)電機的旋轉，生成電機電流的平穩的正弦波調制，就要求對于轉子位置有一個(gè)有測量�；魻柶骷�僅提供了對于轉子位置的粗略計算，還不足以達到目的要求�；�于這個(gè)原因，就要求從編碼器或相似器件發(fā)出角反饋。

圖3：BLDC電機正弦波控制器的簡(jiǎn)化框圖

由于繞組電流必須結合產(chǎn)生一個(gè)平穩的常量轉子電流空間矢量，而且定子繞組的每個(gè)定位相距120度角，因此每個(gè)線(xiàn)組的電流必須是正弦的而且相移為120度。采用編碼器中的位置信息來(lái)對兩個(gè)正弦波進(jìn)行合成，兩個(gè)間的相移為120度。然后，將這些信號乘以轉矩值，因此正弦波的振幅與所需要的轉矩成正比。結果，兩個(gè)正弦波電流命令得到恰當的定相，從而在正交方向產(chǎn)生轉動(dòng)定子電流空間矢量。正弦電流命令信號輸出一對在兩個(gè)適當的電機繞組中調制電流的P-I控制器。第三個(gè)轉子繞組中的電流是受控繞組電流的負數和，因此不能被分別控制。每個(gè)P-I控制器的輸出被送到一個(gè)PWM調制器，然后送到輸出橋和兩個(gè)電機終端。應用到第三個(gè)電機終端的電壓源于應用到前兩個(gè)線(xiàn)組的信號的負數和，用于分別間隔120度的三個(gè)正弦電壓。結果，實(shí)際輸出電流波形的跟蹤正弦電流命令信號，所得電流空間矢量平穩轉動(dòng)，在量上得以穩定并以所需的方向定位。一般通過(guò)梯形整流轉向，不能達到穩定控制的正弦整流轉向結果。然而，由于其在低電機速度下效率很高，在高電機速度下將會(huì )分開(kāi)。這是由于速度提高，電流回流控制器必須跟蹤一個(gè)增加頻率的正弦信號。同時(shí)，它們必須克服隨著(zhù)速度提高在振幅和頻率下增加的電機的反電動(dòng)勢。由于P-I控制器具有有限增益和頻率響應，對于電流控制回路的時(shí)間變量干擾將引起相位滯后和電機電流中的增益誤差，速度越高，誤差越大。這將干擾電流空間矢量相對于轉子的方向，從而引起與正交方向產(chǎn)生位移。當產(chǎn)生這種情況時(shí)，通過(guò)一定量的電流可以產(chǎn)生較小的轉矩，因此需要更多的電流來(lái)保持轉矩，效率降低。隨著(zhù)速度的增加，這種降低將會(huì )延續。在某種程度上，電流的相位位移超過(guò)90度。當產(chǎn)生這種情況時(shí)，轉矩減至為零。通過(guò)正弦的結合，上面這點(diǎn)的速度導致了負轉矩，因此也就無(wú)法實(shí)現。

AC電機控制算法

1、標量控制 標量控制（或V/Hz控制）是一個(gè)控制指令電機速度的簡(jiǎn)單方法。指令電機的穩態(tài)模型主要用于獲得技術(shù)，因此瞬態(tài)性能是不可能實(shí)現的。系統不具有電流回路。為了控制電機，三相電源只有在振幅和頻率上變化。

2、矢量控制或磁場(chǎng)定向控制 在電動(dòng)機中的轉矩隨著(zhù)定子和轉子磁場(chǎng)的功能而變化，并且當兩個(gè)磁場(chǎng)互相正交時(shí)達到峰值。在基于標量的控制中，兩個(gè)磁場(chǎng)間的角度顯著(zhù)變化。矢量控制設法在A(yíng)C電機中再次創(chuàng )造正交關(guān)系。為了控制轉矩，各自從產(chǎn)生的磁通量中生成電流，以實(shí)現DC機器的響應性。一個(gè)AC指令電機的矢量控制與一個(gè)單獨的勵磁DC電機控制相似。在一個(gè)DC電機中，由勵磁電流IF所產(chǎn)生的磁場(chǎng)能量ΦF與由電樞電流IA所產(chǎn)生的電樞磁通ΦA正交。這些磁場(chǎng)都經(jīng)過(guò)去耦并且相互間很穩定。因此，當電樞電流受控以控制轉矩時(shí)，磁場(chǎng)能量仍保持不受影響，并實(shí)現了更快的瞬態(tài)響應。三相AC電機的磁場(chǎng)定向控制（FOC）包括模仿DC電機的操作。所有受控變量都通過(guò)數學(xué)變換，被轉換到DC而非AC。其目標是獨立的控制轉矩和磁通。

磁場(chǎng)定向控制（FOC）有兩種方法：

直接FOC：轉子磁場(chǎng)的方向（Rotor flux angle）是通過(guò)磁通觀(guān)測器直接計算得到的。

間接FOC：轉子磁場(chǎng)的方向（Rotor flux angle）是通過(guò)對轉子速度和滑差（slip）的估算或測量而間接獲得的。

矢量控制要求了解轉子磁通的位置，并可以運用終端電流和電壓（采用AC感應電機的動(dòng)態(tài)模型）的知識，通過(guò)算法來(lái)計算。然而從實(shí)現的角度看，對于計算資源的需求是至關(guān)重要的。

可以采用不同的方式來(lái)實(shí)現矢量控制算法。前饋技術(shù)、模型估算和自適應控制技術(shù)都可用于增強響應和穩定性。

3、AC電機的矢量控制：深入了解 矢量控制算法的是兩個(gè)重要的轉換：Clark變換，Park變換和它們的逆運算。采用Clark和Park變換，帶來(lái)可以控制到轉子區域的轉子電流。這樣做充許一個(gè)轉子控制系統決定應供應到轉子的電壓，以使動(dòng)態(tài)變化負載下的轉矩化。Clark變換：Clark數學(xué)轉換將一個(gè)三相系統修改成兩個(gè)坐標系統：

其中Ia和Ib是正交基準面的組成部分，Io是不重要的homoplanar部分

圖4：三相轉子電流與轉動(dòng)參考系的關(guān)系

4、Park轉換：Park數學(xué)轉換將雙向靜態(tài)系統轉換成轉動(dòng)系統矢量

兩相α，β幀表示通過(guò)Clarke轉換進(jìn)行計算，然后輸入到矢量轉動(dòng)模塊，它在這里轉動(dòng)角θ，以符合附著(zhù)于轉子能量的d，q幀。根據上述公式，實(shí)現了角度θ的轉換。

AC電機的磁場(chǎng)定向矢量控制的基本結構

Clarke變換采用三相電流IA，IB以及IC，其中IA和IB在固定座標定子相中的電流被變換成Isd和Isq，成為Park變換d，q中的元素。其通過(guò)電機通量模型來(lái)計算的電流Isd，Isq以及瞬時(shí)流量角θ被用來(lái)計算交流感應電機的電動(dòng)扭矩。

這些導出值與參考值相互比較，并由PI控制器更新。

基于矢量的電機控制的一個(gè)固有優(yōu)勢是，可以采用同一原理，選擇適合的數學(xué)模型去分別控制各種類(lèi)型的AC、PM-AC或者BLDC電機。

BLDC電機的矢量控制

BLDC電機是磁場(chǎng)定向矢量控制的主要選擇。采用了FOC的無(wú)刷電機可以獲得更高的效率，效率可以達到95%，并且對電機在高速時(shí)也十分有效率。

1、步進(jìn)電機控制

圖5

步進(jìn)電機控制通常采用雙向驅動(dòng)電流，其電機步進(jìn)由按順序切換繞組來(lái)實(shí)現。通常這種步進(jìn)電機有3個(gè)驅動(dòng)順序：①單相全步進(jìn)驅動(dòng)：在這種模式中，其繞組按如下順序加電，AB/CD/BA/DC（BA表示繞組AB的加電是反方向進(jìn)行的）。這一順序被稱(chēng)為單相全步進(jìn)模式，或者波驅動(dòng)模式。在任何一個(gè)時(shí)間，只有一相加電。②雙相全步進(jìn)驅動(dòng)：在這種模式中，雙相一起加電，因此，轉子總是在兩個(gè)極之間。此模式被稱(chēng)為雙相全步進(jìn)，這一模式是兩極電機的常態(tài)驅動(dòng)順序，可輸出的扭矩。③半步進(jìn)模式：這種模式將單相步進(jìn)和雙相步進(jìn)結合在一起加電：?jiǎn)蜗嗉与�，然后雙相加電，然后單相加電…，因此，電機以半步進(jìn)增量運轉。這一模式被稱(chēng)為半步進(jìn)模式，其電機每個(gè)勵磁的有效步距角減少了一半，其輸出的扭矩也較低。以上3種模式均可用于反方向轉動(dòng)（逆時(shí)針?lè )较颍�，如果順序相反則不行。通常，步進(jìn)電機具有多極，以便減小步距角，但是，繞組的數量和驅動(dòng)順序是不變的。

2、通用DC電機控制算法 

通用電機的速度控制，特別是采用2種電路的電機：

相角控制
PWM斬波控制

①相角控制相角控制是通用電機速度控制的簡(jiǎn)單的方法。通過(guò)TRIAC的點(diǎn)弧角的變動(dòng)來(lái)控制速度。相角控制是非常經(jīng)濟的解決方案，但是，效率不太高，易于電磁干擾（EMI）。

圖6：通用電機的相角控制

圖6表明了相角控制的機理，是TRIAC速度控制的典型應用。TRIAC門(mén)脈沖的周相移動(dòng)產(chǎn)生了有效率的電壓，從而產(chǎn)生了不同的電機速度，并且采用了過(guò)零交叉檢測電路，建立了時(shí)序參考，以延遲門(mén)脈沖。②PWM斬波控制PWM控制是通用電機速度控制的，更先進(jìn)的解決方案。在這一解決方案中，功率MOSFET，或者IGBT接通高頻整流AC線(xiàn)電壓，進(jìn)而為電機產(chǎn)生隨時(shí)間變化的電壓。

圖7：通用電機的PWM斬波控制

其開(kāi)關(guān)頻率范圍一般為10-20KHz，以消除噪聲。