BLDC电机控制策略综述

BLDC电机控制策略

无刷电机属于自换向型，其控制过程相对复杂。要实现对BLDC电机的闭环速度控制，必须掌握电机整流转向的转子位置及其机制。此外，还需对转子速度、电机电流及PWM信号进行测量，以调控电机速度和功率输出。

根据应用需求，BLDC电机可选用边缘排列或中心排列的PWM信号。大多数应用场景仅需实现速度调节，因此采用6个独立边缘排列PWM信号即可，这提供了*高的分辨率。若需实现精确定位、能耗制动或反向驱动，则推荐使用中心排列的PWM信号。

BLDC电机通过霍尔效应传感器感应转子位置，提供绝对定位感应，但这导致线路增多，成本上升。无传感器BLDC控制则利用电机反电动势预测转子位置，对于风扇、泵等低成本变速应用至关重要。在冰箱、空调压缩机等应用中，BLDC电机也需采用无传感器控制。安徽皖南电机

空载时间的调整

大多数BLDC电机无需额外的PWM、空载时间插入或补偿。仅在要求高性能BLDC伺服电机、正弦波激励BLDC电机、无刷AC或PC同步电机的应用中，才可能需要这些特性。

控制算法

众多控制算法被用于BLDC电机的控制。通常，功率晶体管作为线性稳压器来调节电机电压。但驱动高功率电机时，此方法并不适用。高功率电机需采用PWM控制，并配备微控制器实现启动和控制功能。

控制算法需具备以下三项功能：

- 控制电机速度的PWM电压

- 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

脉冲宽度调制用于将可变电压施加到电机绕组。有效电压与PWM占空度成正比。在适当的整流换向下，BLDC电机的扭矩-速度特性与直流电机相似。通过可变电压可控制电机速度和可变转矩。

功率晶体管的换向实现了定子绕组的适当切换，从而根据转子位置产生*佳转矩。在BLDC电机中，MCU需了解转子位置，并在适当时间进行整流换向。

BLDC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：BLDC电机梯形控制器的简化框图

图示中，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。

三种霍尔器件嵌入大电机中，提供数字信号，在60度扇形区内测量转子位置，并在电机控制器上提供这些信息。由于每次两个绕组上的电流量相等，第三个绕组上的电流为零，因此只能产生六个方向的电流空间矢量。随着电机转向，电机终端的电流在每转60度时切换一次（整流换向），因此电流空间矢量始终在90度相移的30度附近。

图2：梯形控制：驱动波形和整流处的转矩

因此，每个绕组的电流波形呈梯形，从零开始到正电流再到零，然后到负电流。

这就产生了电流空间矢量，当它随着转子旋转在六个不同方向上步进时，将接近平衡旋转。

在空调和冰霜等电机应用中，霍尔传感器并非必需。在非联绕组中感应的反电动势传感器可以取得相同的效果。皖南电机

这种梯形驱动系统因其控制电路的简易性而非常普遍，但其在整流过程中会产生转矩纹波问题。

BLDC电机的正弦整流换向

梯形整流换向不足以提供平衡、精确的无刷直流电机控制。这主要是因为在三相无刷电机（具有正弦波反电动势）中，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为转轴的电角度，Kt为电机的转矩常数，IR、IS和IT为相位电流。

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

将得到：

转轴转矩 = 1.5I0*Kt（一个独立于转轴角度的常数）

正弦整流换向的BLDC电机控制器努力驱动三个电机绕组，其电流随着电机转动而平稳地正弦变化。选择这些电流的相关相位，使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。这消除了与梯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，需要精确测量转子位置。霍尔器件仅提供对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器件获取角度反馈。

图3：BLDC电机正弦波控制器的简化框图

由于绕组电流必须结合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。使用编码器中的位置信息对两个正弦波进行合成，两个间的相移为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的转矩成正比。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转动定子电流空间矢量。

结果，实际输出电流波形精确地跟踪正弦电流命令信号，所得电流空间矢量平稳转动，在量上得以稳定并以所需的方向定位。

一般而言，通过梯形整流转向无法达到稳定的正弦整流转向结果。然而，由于其在低电机速度下效率很高，在高电机速度下会分开。这是由于速度提高，电流回流控制器必须跟踪一个增加频率的正弦信号，同时必须克服随着速度提高在振幅和频率上增加的电机的反电动势。

由于P-I控制器具有有限的增益和频率响应，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。

当产生这种情况时，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。效率降低。

随着速度的增加，这种降低会持续。在某种程度上，电流的相位位移超过90度。当产生这种情况时，转矩降至为零。通过正弦的结合，上述速度导致了负转矩，因此无法实现。

AC电机控制策略

标量控制

标量控制（或V/Hz控制）是一种简单的电机速度控制方法。

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。系统不具有电流回路。为了控制电机，三相电源只有在振幅和频率上变化。

矢量控制或磁场定向控制

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

矢量控制旨在在AC电机中重新创造正交关系。为了控制转矩，各自从产生磁通量中生成电流，以实现DC机器的响应性。

AC指令电机的矢量控制与单独励磁的DC电机控制相似。在DC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正交。这些磁场都经过去耦，并且相互之间非常稳定。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AC电机的磁场定向控制（FOC）包括模仿DC电机的操作。所有受控变量都通过数学变换，被转换到DC而非AC。其目标是独立控制转矩和磁通。

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）是通过对转子速度和滑差（滑差）的估算或测量而间接获得的。

矢量控制要求了解转子磁通的位置，并可以运用终端电流和电压（采用AC感应电机的动态模型）的知识，通过高级算法来计算。然而，从实现的角度看，对于计算资源的需求是至关重要的。

可以采用不同的方式来实现矢量控制算法。皖南电机价格表前馈技术、模型估算和自适应控制技术都可用于增强响应和稳定性。

AC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，可以将转子电流控制到转子区域。安徽皖南电机这允许转子控制系统决定应供应到转子的电压，以使动态变化负载下的转矩*大化。

Clarke转换：Clarke数学转换将一个三相系统修改成两个坐标系：

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。

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坐标系通过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坐标系。根据上述公式，实现了角度θ的转换。

AC电机的磁场定向矢量控制的基本结构。图2显示了AC电机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，来计算两相正交定子轴的电流I?和I?。这两个在固定坐标系定子相中的电流被变换成Isd和Isq，成为Park变换d,q中的元素。通过电机通量模型计算的电流Isd,Isq以及瞬时流量角θ被用来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，选择合适的数学模型去分别控制各种类型的AC、PM-AC或BLDC电机。

BLDC电机的矢量控制

BLDC电机是磁场定向矢量控制的主要选择。采用FOC的无刷电机可以获得更高的效率，*高效率可达95%，并且在高速时也非常有效。

步进电机控制策略

步进电机控制

步进电机控制通常采用双向驱动电流，其电机步进由按顺序切换绕组来实现。通常这种步进电机有3种驱动顺序：

1. 单相全步进驱动：

在这种模式中，其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，因此转子总是在两个极之间。此模式被称为双相全步进，这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。此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，其输出的扭矩也较低。

以上3种模式均可用于反方向转动（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DC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的点弧角变化来控制速度。相角控制是一种经济的解决方案，但效率不高，易于电磁干扰（EMI）。

通用电机的相角控制

以上示图表明了相角控制的机理，是TRIAC速度控制的典型应用。安徽皖南电机TRIAC门脉冲的周相移动产生了有效电压，从而产生了不同的电机速度，并采用了过零交叉检测电路，建立了时序参考，以延迟门脉冲。

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。在这一解决方案中，功率MOSFET或IGBT接通高频整流AC线电压，进而为电机产生随时间变化的电压。

通用电机的PWM斩波控制

其开关频率范围一般为10-20kHz，以消除噪声。这种通用电机的控制方法可以获得更佳的电流控制和更佳的EMI性能，因此效率更高。