一、概述
1.1 BLDC及其組成
無(wú)刷直流電機采用電子換向器替代了傳統直流電動(dòng)機的機械換向裝置，從而克服了電刷和換向器所引起的噪聲、火花、電磁干擾、壽命短等一系列弊病。這種類(lèi)型的電機既具備交流電機的結構簡(jiǎn)單、運行可靠、維護方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具有直流電機的運行效率高、無(wú)勵磁損耗以及調速性能好等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域中的應用越來(lái)越廣泛，典型應用包括但不限于：家用電器、電動(dòng)工具、電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)摩托車(chē)、電動(dòng)平衡車(chē)等領(lǐng)域。
圖1-1 無(wú)刷直流電機的組成
無(wú)刷直流電機的組成如圖1-1所示，主要包括電機本體、位置傳感器和電子開(kāi)關(guān)線(xiàn)路。
1.2 BLDC的工作原理
圖1-2 BLDC的控制原理簡(jiǎn)圖
無(wú)刷直流電機的控制簡(jiǎn)圖如圖1-2所示，主電路是一個(gè)典型的電壓型交-直-交電路，逆變器提供等幅等頻5-24KHz調制波的對稱(chēng)交變矩形波。永磁體N-S交替交換，使位置傳感器產(chǎn)生相位差120〫的H3、H2、H1方波，從而產(chǎn)生有效的六狀態(tài)編碼信號：010、011、001、101、100、110，通過(guò)邏輯組件處理產(chǎn)生V6-V1導通、V5-V6導通、V4-V5導通、V3-V4導通、V2-V3導通、V1-V2導通，也就是說(shuō)將直流母線(xiàn)電壓依次加在U->V、W->V、W->U、V->U、V->W、U->W上，這樣轉子每轉過(guò)一對N-S極，V1、V2、V3、V4、V5、V6各功率管即按固定組合成六種狀態(tài)依次導通，如圖1-3所示。
圖1-3 兩相導通星形三相六狀態(tài)時(shí)繞組和MOS管導通順序表每種狀態(tài)下，僅有兩相繞組通電，依次改變一種狀態(tài)，定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)軸線(xiàn)在空間轉動(dòng)60〫電角度，轉子跟隨定子磁場(chǎng)轉動(dòng)相當于60〫電角度空間位置，轉子在新位置上，使位置傳感器U、V、W按約定產(chǎn)生一組新編碼，新的編碼又改變了功率管的導通組合，使定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)軸再前進(jìn)60〫電角度。如此循環(huán)，無(wú)刷直流電動(dòng)機將產(chǎn)生連續轉矩，拖動(dòng)負載作連續旋轉。
二、BLDC的主流驅動(dòng)方式
目前，BLDC主要有三種驅動(dòng)方式：方波控制(也稱(chēng)為梯形波控制、120°控制或6步換向控制)、正弦波控制和FOC控制(又稱(chēng)為矢量變頻、磁場(chǎng)矢量定向控制)。
基本原理(見(jiàn)圖2-1)：
- 使用霍爾傳感器或者無(wú)感估算算法獲得電機轉子的位置；
- 根據轉子的位置在360°的電氣周期內，進(jìn)行6次換向(每60°換向一次)；
- 電機的相電流波形接近方波，所以稱(chēng)為方波控制。
優(yōu)點(diǎn)：控制算法簡(jiǎn)單、硬件成本較低，使用性能普通的控制器便能獲得較高的電機轉速；
缺點(diǎn)：轉矩波動(dòng)大、存在一定的電流噪聲、效率達不到最大值。
應用場(chǎng)景：適用于對電機轉動(dòng)性能要求不高的場(chǎng)合。
其基本原理如圖2-2所示，具體表述如下：
優(yōu)點(diǎn)：轉矩波動(dòng)較小，電流諧波少，無(wú)換向電流突變，電機運行噪聲��；
缺點(diǎn)：對控制器的性能要求較高，電機效率不能發(fā)揮到最大值。
應用場(chǎng)景：對電機運行噪聲要求較高的場(chǎng)合。
FOC控制方式可以認為是正弦波控制的升級版本，實(shí)現了電流矢量的控制，亦即實(shí)現了電機定子磁場(chǎng)的矢量控制。
圖2-3 FOC控制的基本原理
其基本原理如圖2-3所示，具體表述如下：
優(yōu)點(diǎn)：轉矩波動(dòng)小、效率高、噪聲小、動(dòng)態(tài)響應快；
缺點(diǎn)：硬件成本較高、對控制器性能有較高要求，電機參數需匹配。
三、哪種方式更適合未來(lái)的發(fā)展？
FOC是目前無(wú)刷直流電機(BLDC)高效控制的最佳選擇，它能夠精確地控制磁場(chǎng)的大小與方向，使得電機轉矩平穩、噪聲小、效率高，并且具有高速的動(dòng)態(tài)響應。目前已在很多應用上逐步替代傳統的控制方式，在運動(dòng)控制行業(yè)中備受矚目。 |
