BLDC電機控制算法及矢量控制

BLDC電機控制算法

無刷電機屬于自換流型（自我方向轉(zhuǎn)換），因此控制起來更加復(fù)雜。

BLDC電機控制要求了解電機進行整流轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)子位置和機制。對于閉環(huán)速度控制，有兩個附加要求，即對于轉(zhuǎn)子速度/或電機電流以及PWM信號進行測量，以控制電機速度以及功率。

BLDC電機可以根據(jù)應(yīng)用要求采用邊排列或中心排列PWM信號。大多數(shù)應(yīng)用僅要求速度變化操作，將采用6個獨立的邊排列PWM信號。這就提供了最高的分辨率。如果應(yīng)用要求服務(wù)器定位、能耗制動或動力倒轉(zhuǎn)，推薦使用補充的中心排列PWM信號。

為了感應(yīng)轉(zhuǎn)子位置，BLDC電機采用霍爾效應(yīng)傳感器來提供絕對定位感應(yīng)。這就導(dǎo)致了更多線的使用和更高的成本。無傳感器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勢（電動勢）來預(yù)測轉(zhuǎn)子位置。無傳感器控制對于像風(fēng)扇和泵這樣的低成本變速應(yīng)用至關(guān)重要。在采用BLDC電機時，冰箱和空調(diào)壓縮機也需要無傳感器控制。

空載時間的插入和補充：

大多數(shù)BLDC電機不需要互補的PWM、空載時間插入或空載時間補償?？赡軙筮@些特性的BLDC應(yīng)用僅為高性能BLDC伺服電動機、正弦波激勵式BLDC電機、無刷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性穩(wěn)壓器來控制電機電壓。當(dāng)驅(qū)動高功率電機時，這種方法并不實用。高功率電機必須采用PWM控制，并要求一個微控制器來提供起動和控制功能。

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
• 用于對電機進整流換向的機制
• 利用反電動勢或霍爾傳感器來預(yù)測轉(zhuǎn)子位置的方法

脈沖寬度調(diào)制僅用于將可變電壓應(yīng)用到電機繞組。有效電壓與PWM占空比成正比。當(dāng)?shù)玫竭m當(dāng)?shù)恼鲹Q向時，BLDC的扭矩速度特性與以下直流電機相同。可以用可變電壓來控制電機的速度和可變轉(zhuǎn)矩。

功率晶體管的換向?qū)崿F(xiàn)了定子中的適當(dāng)繞組可根據(jù)轉(zhuǎn)子位置生成最佳的轉(zhuǎn)矩。在一個BLDC電機中，MCU必須知道轉(zhuǎn)子的位置并能夠在恰當(dāng)?shù)臅r間進行整流換向。

BLDC電機的梯形整流換向

對于直流無刷電機采用所謂的梯形整流換向是最簡單的方法之一。

圖2：用于BLDC電機的梯形控制器的簡化框圖

在圖2中，每一次要通過一對電機終端來控制電流，而第三個電機終端總是與電源電學(xué)上斷開。

嵌入大電機中的三種霍爾器件用于提供數(shù)字信號，它們在60度的扇形區(qū)內(nèi)測量轉(zhuǎn)子位置，并在電機控制器上提供這些信息。由于每次兩個繞組上的電流量相等，而第三個繞組上的電流為零，這種方法僅能產(chǎn)生具有六個方向其中之一的電流空間矢量。隨著電機的轉(zhuǎn)動，電機終端的電流在每轉(zhuǎn)60度時，實現(xiàn)一次電開關(guān)（整流換向），因此電流空間矢量總是在90度相移的最接近30度的位置。

圖3：梯形控制：驅(qū)動波形和整流處的轉(zhuǎn)矩

因此每個繞組的電流波型為梯形，從零開始到正電流再到零然后再到負(fù)電流。

這就產(chǎn)生了電流空間矢量，當(dāng)它隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)在6個不同的方向上進行步升時，它將接近平衡旋轉(zhuǎn)。

在像空調(diào)和冰箱這樣的電機應(yīng)用中，采用霍爾傳感器并不是一個不變的選擇。在非聯(lián)繞組中感應(yīng)的反電動勢傳感器可以用來取得相同的結(jié)果。

這種梯形驅(qū)動系統(tǒng)因其控制電路的簡易性而非常普通，但是它們在整流過程中卻要遭遇轉(zhuǎn)矩紋波問題。

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(zhǔn)的無刷直流電機控制。這主要是因為在一個三相無刷電機（帶有一個正統(tǒng)波反電動勢）中所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩由下列等式來定義：

轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩=Kt [IRSin（o）+ISSin（o+120）+ITSin（o+240）]

其中：

• o為轉(zhuǎn)軸的電角度
• Kt為電機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)
• 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(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩=1.5I0*Kt（一個獨立于轉(zhuǎn)軸角度的常數(shù)）

正弦整流換向無刷電機控制器努力驅(qū)動三個電機繞組，其三路電流隨著電機轉(zhuǎn)動而平穩(wěn)的進行正弦變化。選擇這些電流的相關(guān)相位，這樣它們將會產(chǎn)生平穩(wěn)的轉(zhuǎn)子電流空間矢量，方向是與轉(zhuǎn)子正交的方向，并具有不變量。這就消除了與轉(zhuǎn)向相關(guān)的轉(zhuǎn)矩紋波和轉(zhuǎn)向脈沖。

為了隨著電機的旋轉(zhuǎn)，生成電機電流的平穩(wěn)的正弦波調(diào)制，就要求對于轉(zhuǎn)子位置有一個精確有測量?；魻柶骷H提供了對于轉(zhuǎn)子位置的粗略計算，還不足以達(dá)到目的要求。基于這個原因，就要求從編碼器或相似器件發(fā)出角反饋。

圖4：BLDC電機正弦波控制器的簡化框圖

由于繞組電流必須結(jié)合產(chǎn)生一個平穩(wěn)的常量轉(zhuǎn)子電流空間矢量，而且定子繞組的每個定位相距120度角，因此每個線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對兩個正弦波進行合成，兩個間的相移為120度。然后，將這些信號乘以轉(zhuǎn)矩值，因此正弦波的振幅與所需要的轉(zhuǎn)矩成正比。結(jié)果，兩個正弦波電流命令得到恰當(dāng)?shù)亩ㄏ?，從而在正交方向產(chǎn)生轉(zhuǎn)動定子電流空間矢量。

正弦電流命令信號輸出一對在兩個適當(dāng)?shù)碾姍C繞組中調(diào)制電流的P-I控制器。第三個轉(zhuǎn)子繞組中的電流是受控繞組電流的負(fù)數(shù)和，因此不能被分別控制。每個P-I控制器的輸出被送到一個PWM調(diào)制器，然后送到輸出橋和兩個電機終端。應(yīng)用到第三個電機終端的電壓源于應(yīng)用到前兩個線組的信號的負(fù)數(shù)和，用于分別間隔120度的三個正弦電壓。

結(jié)果，實際輸出電流波形精確的跟蹤正弦電流命令信號，所得電流空間矢量平穩(wěn)轉(zhuǎn)動，在量上得以穩(wěn)定并以所需的方向定位。

一般通過梯形整流轉(zhuǎn)向，不能達(dá)到穩(wěn)定控制的正弦整流轉(zhuǎn)向結(jié)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分開。這是由于速度提高，電流回流控制器必須跟蹤一個增加頻率的正弦信號。同時，它們必須克服隨著速度提高在振幅和頻率下增加的電機的反電動勢。

由于P-I控制器具有有限增益和頻率響應(yīng)，對于電流控制回路的時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(zhuǎn)子的方向，從而引起與正交方向產(chǎn)生位移。

當(dāng)產(chǎn)生這種情況時，通過一定量的電流可以產(chǎn)生較小的轉(zhuǎn)矩，因此需要更多的電流來保持轉(zhuǎn)矩，效率降低。

隨著速度的增加，這種降低將會延續(xù)。在某種程度上，電流的相位位移超過90度。當(dāng)產(chǎn)生這種情況時，轉(zhuǎn)矩減至為零。通過正弦的結(jié)合，上面這點的速度導(dǎo)致了負(fù)轉(zhuǎn)矩，因此也就無法實現(xiàn)。

AC電機控制算法

** 1、標(biāo)量控制 **

標(biāo)量控制（或V/Hz控制）是一個控制指令電機速度的簡單方法。指令電機的穩(wěn)態(tài)模型主要用于獲得技術(shù)，因此瞬態(tài)性能是不可能實現(xiàn)的。系統(tǒng)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、矢量控制或磁場定向控制 **

在電動機中的轉(zhuǎn)矩隨著定子和轉(zhuǎn)子磁場的功能而變化，并且當(dāng)兩個磁場互相正交時達(dá)到峰值。在基于標(biāo)量的控制中，兩個磁場間的角度顯著變化。

矢量控制設(shè)法在AC電機中再次創(chuàng)造正交關(guān)系。為了控制轉(zhuǎn)矩，各自從產(chǎn)生的磁通量中生成電流，以實現(xiàn)DC機器的響應(yīng)性。

一個AC指令電機的矢量控制與一個單獨的勵磁DC電機控制相似。在一個DC電機中，由勵磁電流IF所產(chǎn)生的磁場能量ΦF與由電樞電流IA所產(chǎn)生的電樞磁通ΦA(chǔ)正交。這些磁場都經(jīng)過去耦并且相互間很穩(wěn)定。因此，當(dāng)電樞電流受控以控制轉(zhuǎn)矩時，磁場能量仍保持不受影響，并實現(xiàn)了更快的瞬態(tài)響應(yīng)。

三相AC電機的磁場定向控制（FOC）包括模仿DC電機的操作。所有受控變量都通過數(shù)學(xué)變換，被轉(zhuǎn)換到DC而非AC。其目標(biāo)是獨立的控制轉(zhuǎn)矩和磁通。

磁場定向控制（FOC）有兩種方法：

• 直接FOC： 轉(zhuǎn)子磁場的方向（Rotor flux angle）是通過磁通觀測器直接計算得到的。
• 間接FOC ：轉(zhuǎn)子磁場的方向（Rotor flux angle）是通過對轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子磁通的位置，并可以運用終端電流和電壓（采用AC感應(yīng)電機的動態(tài)模型）的知識，通過高級算法來計算。然而從實現(xiàn)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實現(xiàn)矢量控制算法。前饋技術(shù)、模型估算和自適應(yīng)控制技術(shù)都可用于增強響應(yīng)和穩(wěn)定性。

** 3、AC電機的矢量控制：深入了解 **

矢量控制算法的核心是兩個重要的轉(zhuǎn)換：Clark變換，Park變換和它們的逆運算。采用Clark和Park變換，帶來可以控制到轉(zhuǎn)子區(qū)域的轉(zhuǎn)子電流。這樣做充許一個轉(zhuǎn)子控制系統(tǒng)決定應(yīng)供應(yīng)到轉(zhuǎn)子的電壓，以使動態(tài)變化負(fù)載下的轉(zhuǎn)矩最大化。

Clark變換：Clark數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換將一個三相系統(tǒng)修改成兩個坐標(biāo)系統(tǒng)：

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

圖5：三相轉(zhuǎn)子電流與轉(zhuǎn)動參考系的關(guān)系

** 4、Park轉(zhuǎn)換：Park數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換將雙向靜態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)動系統(tǒng)矢量 **

兩相α，β幀表示通過Clarke轉(zhuǎn)換進行計算，然后輸入到矢量轉(zhuǎn)動模塊，它在這里轉(zhuǎn)動角θ，以符合附著于轉(zhuǎn)子能量的d，q幀。根據(jù)上述公式，實現(xiàn)了角度θ的轉(zhuǎn)換。

AC電機的磁場定向矢量控制的基本結(jié)構(gòu)

Clarke變換采用三相電流I A ，IB以及I C ，其中IA和IB在固定座標(biāo)定子相中的電流被變換成Isd和I sq ，成為Park變換d，q中的元素。其通過電機通量模型來計算的電流I sd ，Isq以及瞬時流量角θ被用來計算交流感應(yīng)電機的電動扭矩。

圖6：矢量控制交流電機的基本原理

這些導(dǎo)出值與參考值相互比較，并由PI控制器更新。

表1：電動機標(biāo)量控制和矢量控制的比較

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

BLDC電機的矢量控制

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

** 1、步進電機控制 **

圖7

步進電機控制通常采用雙向驅(qū)動電流，其電機步進由按順序切換繞組來實現(xiàn)。通常這種步進電機有3個驅(qū)動順序：

①單相全步進驅(qū)動：

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的加電是反方向進行的）。這一順序被稱為單相全步進模式，或者波驅(qū)動模式。在任何一個時間，只有一相加電。

②雙相全步進驅(qū)動：

在這種模式中，雙相一起加電，因此，轉(zhuǎn)子總是在兩個極之間。此模式被稱為雙相全步進，這一模式是兩極電機的常態(tài)驅(qū)動順序，可輸出的扭矩最大。

③半步進模式：

這種模式將單相步進和雙相步進結(jié)合在一起加電：單相加電，然后雙相加電，然后單相加電…，因此，電機以半步進增量運轉(zhuǎn)。這一模式被稱為半步進模式，其電機每個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(zhuǎn)動（逆時針方向），如果順序相反則不行。

通常，步進電機具有多極，以便減小步距角，但是，繞組的數(shù)量和驅(qū)動順序是不變的。

** 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最簡單的方法。通過TRIAC的點弧角的變動來控制速度。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8：通用電機的相角控制

圖8表明了相角控制的機理，是TRIAC速度控制的典型應(yīng)用。TRIAC門脈沖的周相移動產(chǎn)生了有效率的電壓，從而產(chǎn)生了不同的電機速度，并且采用了過零交叉檢測電路，建立了時序參考，以延遲門脈沖。

②PWM斬波控制

PWM控制是通用電機速度控制的，更先進的解決方案。在這一解決方案中，功率MOSFET，或者IGBT接通高頻整流AC線電壓，進而為電機產(chǎn)生隨時間變化的電壓。

圖9：通用電機的PWM斬波控制

其開關(guān)頻率范圍一般為10-20KHz，以消除噪聲。這一通用電機的控制方法可以獲得更佳的電流控制和更佳的EMI性能，因此，效率更高。