電機控制之常用算法概述

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。在采有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。典型地，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占空度成正比。當(dāng)?shù)玫竭m當(dāng)?shù)恼鲹Q向時，BLDC的扭矩速度特性與一下直流電機相同。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

對于直流無刷電機的最簡單的方法之一是采用所謂的梯形整流換向。

在這個原理圖中，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子性斷開。

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)生具有六個方向共中之一的電流空間矢量。隨著電機的轉(zhuǎn)向，電機終端的電流在每轉(zhuǎn)60度時，電開關(guān)一次（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。

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)和冰霜這樣的電機應(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。

BDLC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 [IR Sin(?) + IS Sin(?+120) + IT Sin(?+240)]

其中

? 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 = I0Sin?; IS = I0Sin (+120?); IT = I0Sin (+240?)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。這就消除了與北形轉(zhuǎn)向相關(guān)的轉(zhuǎn)矩紋波和轉(zhuǎn)向脈沖。