无刷直流电机控制策略综述

无刷直流电机控制策略

无刷电机具有自换向特性，这使得其控制过程更为繁复。

在无刷直流电机控制中，必须掌握转子实现整流和转向的具体位置及机制。对于闭环速度控制，还需额外满足两个条件，即对转子速度、电机电流及PWM信号进行监测，以实现对电机速度和功率的调控。

无刷直流电机可根据应用需求选择边排列或中心排列的PWM信号。大多数应用仅需实现速度变化，因此多采用6个独立边排列PWM信号，以提供*高分辨率。若需进行精确定位、能耗制动或反转，则推荐使用补充的中心排列PWM信号。

为了感应转子位置，无刷直流电机采用霍尔效应传感器提供绝对定位感应，这导致了线缆使用增多和成本上升。无传感器无刷直流控制则无需霍尔传感器，通过电机反电动势预测转子位置，对风扇、泵等低成本变速应用至关重要。皖南电机 在采用无刷直流电机时，冰箱和空调压缩机等设备也需采用无传感器控制。

空载时间的调节与补充

大多数无刷直流电机无需额外的PWM、空载时间插入或补偿。仅在高性能无刷直流伺服电机、正弦波激励式无刷直流电机、无刷交流电机或PC同步电机等特定应用中，才可能需要这些特性。

控制算法

众多控制算法被用于无刷直流电机的控制。通常，功率晶体管被用作线性稳压器来调节电机电压。然而，在高功率电机驱动中，这种方法并不适用。高功率电机必须采用PWM控制，并需要一个微控制器来提供启动和控制功能。安徽皖南电机

控制算法需实现以下三项功能：

- 用于调节电机速度的PWM电压

- 用于实现电机整流换向的机制

- 利用反电动势或霍尔传感器预测转子位置的方法

脉冲宽度调制主要用于将可变电压施加于电机绕组。有效电压与PWM占空比成正比。在适当的整流换向下，无刷直流电机的扭矩速度特性与直流电机相似。可通过调节电压控制电机速度和转矩。

功率晶体管的换向实现了定子绕组的适当切换，可根据转子位置产生*佳转矩。在无刷直流电机中，MCU必须掌握转子位置，并在恰当时间进行整流换向。

无刷直流电机的梯形整流换向

对于直流无刷电机，梯形整流换向是*简单的方法之一。

图1：用于无刷直流电机的梯形控制器简化框图

图中，每次通过一对电机终端控制电流，第三个电机终端始终与电源断开。

图2：梯形控制：驱动波形和整流处的转矩

每个绕组的电流波形呈梯形，从零开始，经过正电流，再回到零，*后变为负电流。

这种方法产生了电流空间矢量，在转子旋转的6个不同方向上步进，接近平衡旋转。

在空调、冰箱等电机应用中，霍尔传感器并非唯一选择。在非联绕组中感应的反电动势传感器也可用于实现相同效果。

这种梯形驱动系统因其控制电路的简单性而非常常见，但在整流过程中会产生转矩纹波问题。

无刷直流电机的正弦整流换向

梯形整流换向不足以实现平衡、精确的无刷直流电机控制。这是因为三相无刷电机（具有正弦波反电动势）中产生的转矩由以下等式定义：

转轴转矩=Kt[IRsin(θ) + ISsin(θ+120°) + ITsin(θ+240°)]

其中：θ为转轴电角度，Kt为电机转矩常数，IR、IS和IT为相电流。

如果相电流是正弦的：IR=I0sin(θ); IS=I0sin(θ+120°); IT=I0sin(θ+240°)

则转轴转矩=1.5I0*Kt（一个独立于转轴角度的常数）

正弦整流换向无刷直流电机控制器努力驱动三个电机绕组，其电流随电机旋转平稳正弦变化。通过选择相关相位，使得它们产生平稳的转子电流空间矢量，方向与转子正交，且具有恒定值。这消除了与北形转向相关的转矩纹波和转向脉冲。

为了在电机旋转时生成平稳的正弦波调制电流，需要对转子位置进行精确测量。霍尔器件仅提供转子位置的粗略计算，不足以满足要求。因此，需要从编码器或类似设备获取角反馈。

图3：无刷直流电机正弦波控制器简化框图

由于绕组电流必须结合以产生平稳的常量转子电流空间矢量，且定子绕组的每个定位相距120度角，因此每个线组的电流必须是正弦的，且相移为120度。通过编码器中的位置信息对两个正弦波进行合成，两者间的相移为120度。然后，将这些信号乘以转矩命令，因此正弦波的振幅与所需转矩成正比。结果，两个正弦波电流命令得到恰当的定相，从而在正交方向产生旋转定子电流空间矢量。

结果，实际输出电流波形精确跟踪正弦电流命令信号，所得电流空间矢量平稳旋转，在量上稳定并以所需方向定位。

一般而言，通过梯形整流转向无法达到正弦整流转向的稳定控制效果。然而，由于其在低电机速度下的高效率，在高电机速度下将分离。这是由于速度提高，电流回馈控制器必须跟踪增加频率的正弦信号，同时克服随着速度提高在振幅和频率上增加的电机反电动势。

由于P-I控制器具有有限增益和频率响应，对于电流控制回路的时间变量干扰将引起相位滞后和电机电流中的增益误差，速度越高，误差越大。这将干扰电流空间矢量相对于转子的方向，从而引起与正交方向产生位移。

当出现这种情况时，通过一定量的电流可以产生较小的转矩，因此需要更多的电流来保持转矩，导致效率降低。

随着速度的增加，这种降低将延续。在某种程度上，电流的相位位移超过90度。当出现这种情况时，转矩降至零。通过正弦的结合，上述速度导致了负转矩，因此无法实现。

交流电机控制策略

标量控制

标量控制（或V/Hz控制）是控制电机速度的一种简单方法。

指令电机的稳态模型主要用于获得技术，因此瞬态性能是不可能实现的。皖南电机系统不具有电流回路。为了控制电机，三相电源必须在振幅和频率上变化。皖南电机价格表

矢量控制或磁场定向控制

在电机中，转矩随着定子和转子磁场的相互作用而变化，且当两个磁场互相垂直时达到峰值。在基于标量的控制中，两个磁场间的角度显著变化。

矢量控制试图在交流电机中重新创造垂直关系。为了控制转矩，分别从产生磁通量中生成电流，以实现直流电机的响应性。

交流指令电机的矢量控制与单独励磁的直流电机控制相似。在直流电机中，由励磁电流IF产生的磁场能量ΦF与由电枢电流IA产生的电枢磁通ΦA垂直。这些磁场都经过解耦且相互稳定。因此，当电枢电流受控以控制转矩时，磁场能量仍保持不受影响，并实现了更快的瞬态响应。

三相交流电机的磁场定向控制（FOC）包括模仿直流电机的操作。所有受控变量都通过数学变换，被转换到直流而非交流。其目标是对转矩和磁通进行独立控制。

磁场定向控制（FOC）有两种方法：

- 直接FOC：转子磁场的方向（转子磁通角度）是通过磁通观测器直接计算得到的

- 间接FOC：转子磁场的方向（转子磁通角度）是通过估算或测量转子速度和滑差间接获得的。

矢量控制要求了解转子磁通的位置，并可以利用终端电流和电压（采用交流感应电机的动态模型）的知识，通过高级算法进行计算。然而，从实现的角度看，对计算资源的需求至关重要。

矢量控制算法可以通过不同的方式实现。前馈技术、模型估计和自适应控制技术都可用于提高响应和稳定性。

交流电机的矢量控制：深入了解

矢量控制算法的核心是两个重要的转换：Clarke转换、Park转换及其逆运算。通过Clarke和Park转换，可以将三相系统转换为两个坐标系统，使得可以控制到转子区域的转子电流。这允许转子控制系统决定应供应到转子的电压，以在动态变化负载下*大化转矩。

Clarke转换：Clarke数学转换将一个三相系统修改成两个坐标系统：

其中Ia和Ib是正交基准面的组成部分，Io是不重要的同平面部分。

图4：三相转子电流与旋转参考系的关系

Park转换：Park数学转换将双向静态系统转换成旋转系统矢量

两相α、β帧表示通过Clarke转换进行计算，然后输入到矢量旋转模块，它在这里旋转角度θ，以符合附着于转子能量的d、q帧。根据上述公式，实现了角度θ的转换。

交流电机的磁场定向矢量控制的基本结构

Clarke变换采用三相电流IA、IB以及IC，这两个在固定坐标定子相中的电流被转换为Isd和Isq，成为Park变换d、q中的元素。通过电机磁通模型计算的电流Isd、Isq以及瞬时流量角θ用于计算交流感应电机的电动扭矩。

图2：矢量控制交流电机的基本原理

这些导出值与参考值相互比较，并由PI控制器更新。

基于矢量的电机控制的一个固有优势是，可以采用相同的原理，选择适合的数学模型分别控制各种类型的交流、永磁同步交流或无刷直流电机。

无刷直流电机的矢量控制

无刷直流电机是磁场定向矢量控制的主要选择。采用FOC的无刷电机可以实现更高的效率，*高效率可达95%，且在高速时也十分高效。

步进电机控制

步进电机控制通常采用双向驱动电流，其电机步进通过按顺序切换绕组实现。通常步进电机有3种驱动顺序：

1. 单相全步进驱动

在这种模式中，绕组按如下顺序加电：AB/CD/BA/DC（BA表示绕组AB的加电是反方向进行的）。这一顺序被称为单相全步进模式，或波驱动模式。在任何时刻，只有一相加电。

2. 双相全步进驱动

在这种模式中，双相同时加电，因此转子始终位于两个极之间。此模式被称为双相全步进，是两极电机的常态驱动顺序，可输出*大扭矩。

3. 半步进模式

这种模式将单相步进和双相步进结合在一起加电：单相加电，然后双相加电，然后单相加电……，因此电机以半步进增量运转。安徽皖南电机 这一模式被称为半步进模式，其电机每个励磁的有效步距角减少了一半，输出的扭矩也较低。

以上3种模式均可用于反向转动（逆时针方向），如果顺序相反则不行。

通常，步进电机具有多极，以便减小步距角，但绕组的数量和驱动顺序是不变的。

通用直流电机控制策略

通用电机的速度控制，特别是采用两种电路的电机：

- 相角控制

- PWM斩波控制

相角控制

相角控制是通用电机速度控制的*简单方法。通过TRIAC的触发角变化来控制速度。相角控制是一种经济实惠的解决方案，但效率不高，容易产生电磁干扰（EMI）。

通用电机的相角控制

以上示图显示了相角控制的原理，是TRIAC速度控制的典型应用。TRIAC触发脉冲的相位移动产生了有效的电压，从而产生了不同的电机速度，并采用过零交叉检测电路，建立时序参考，以延迟触发脉冲。

PWM斩波控制

PWM控制是通用电机速度控制的更先进解决方案。在这一方案中，功率MOSFET或IGBT接通高频整流AC线电压，从而为电机产生随时间变化的电压。

通用电机的PWM斩波控制

其开关频率通常为10-20 KHz，以消除噪声。这种通用电机的控制方法可以获得更优的电流控制和更优的EMI性能，因此效率更高。