BLDC控制策略的選擇與實(shí)施

BLDC 電機(jī)比傳統(tǒng)有刷直流電機(jī)更小、更輕、更安靜，同時(shí)提高了消費(fèi)、工業(yè)、汽車和醫(yī)療應(yīng)用的可靠性和能效。它們的無刷結(jié)構(gòu)消除了機(jī)械磨損、導(dǎo)電灰塵、可聞噪音和電弧等問題，從而簡化了設(shè)備設(shè)計(jì)和維護(hù)。

從基本梯形控制到更平滑的正弦控制和磁場定向控制 (FOC) 的控制策略讓工程師可以選擇各種選項(xiàng)來平衡復(fù)雜性和成本與性能和可控性。

六步或梯形控制

使用簡單的“開關(guān)”勵(lì)磁順序?yàn)槿齻€(gè)定子繞組通電，作用于轉(zhuǎn)子中永磁體的靜磁場，使其旋轉(zhuǎn)。該周期包括施加到每個(gè)繞組的六個(gè)脈沖以執(zhí)行一轉(zhuǎn)。波形相對容易生成并產(chǎn)生梯形反電動勢，如圖 1左側(cè)所示。然而，轉(zhuǎn)子上的力并非純粹沿切向方向，這對于確保連續(xù)的最大扭矩是理想的。電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)存在周期性徑向分量，這會降低效率并導(dǎo)致磨損、發(fā)熱和所謂的“扭矩脈動”。

圖 1. BLDC 的六步正弦控制。

正弦和磁場定向控制

應(yīng)用正弦勵(lì)磁理論上可以產(chǎn)生一個(gè)始終垂直于轉(zhuǎn)子磁體磁場的平滑旋轉(zhuǎn)磁場，從而產(chǎn)生一致的扭矩，如圖 1 右側(cè)所示。在實(shí)踐中，繞組電感和反電動勢等影響會導(dǎo)致相位由此產(chǎn)生的電流和場的變化會阻止簡單的正弦控制提供平滑和準(zhǔn)確的控制。

磁場定向控制 (FOC) 動態(tài)校正定子磁場幅度和方向，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用要求的扭矩和速度。該算法根據(jù)瞬時(shí)測量的轉(zhuǎn)子位置計(jì)算最佳繞組電流。

磁場定向控制可最大化扭矩

原則上，F(xiàn)OC 控制交流勵(lì)磁電流，以保持所得磁場的角度始終垂直于轉(zhuǎn)子磁體的磁場。這樣可以產(chǎn)生最高的扭矩，消除扭矩脈動，最大限度地提高效率，并通過消除軸承上的徑向載荷來最大限度地減少機(jī)械磨損。

定子繞組電流以及由此產(chǎn)生的場強(qiáng)和方向可以表示為在公共靜態(tài)坐標(biāo)系中相距 120 度的三個(gè)旋轉(zhuǎn)矢量。為了最大限度地減少扭矩脈動并最大限度地提高效率，這些電流I U、IV和I W必須保持平衡，使其凈和為零。 FOC 旨在通過應(yīng)用“克拉克”變換來實(shí)現(xiàn)這種平衡。這將電流簡化為兩個(gè)振幅為Iα和Iβ的旋轉(zhuǎn)矢量，在靜態(tài)坐標(biāo)系中相距 90 度：

將這些矢量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)參考平面中的靜態(tài)分量I D(直接)和I Q(正交)，可以將它們與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)的位置相關(guān)聯(lián)。這是使用“Park”變換完成的：

θ是圍繞靜態(tài)Iα和Iβ坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)子角度

在穩(wěn)態(tài)條件下，ID和I Q是恒定值，可以解釋為定子繞組電流的分量，分別代表切向和不需要的徑向扭矩。 FOC 使用這些值作為反饋環(huán)路的輸入，通常使用比例積分 (PI) 控制器來最大化 I Q并將 I D最小化為零。由此產(chǎn)生的誤差放大器輸出V D和V Q通過逆 Park 和逆 Clarke 變換以及隨后的脈寬調(diào)制來驅(qū)動功率級，產(chǎn)生三個(gè)正弦定子繞組電流。 PI 控制器中的可編程增益值 Kp 和 Ki 必須分別針對瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)精度進(jìn)行單獨(dú)優(yōu)化，并且在很大程度上取決于實(shí)際電機(jī)參數(shù)，特別是繞組電阻和電感。然而，先進(jìn)的 FOC 控制器具有自動調(diào)節(jié)功能，可以“學(xué)習(xí)”所連接電機(jī)的特性。使用 FOC 的 BLDC 電機(jī)控制器的概要如圖 2 所示。

圖 2. 用于驅(qū)動 BLDC 電機(jī)的 FOC 方案。

特別受益于 FOC 的應(yīng)用是那些需要最小化噪聲或振動或需要低諧波接觸的應(yīng)用。此外，F(xiàn)OC 還可以在需要時(shí)使應(yīng)用程序以高于標(biāo)稱速度的速度運(yùn)行。這是通過使用“弱磁”來實(shí)現(xiàn)的，其中通過控制電流I D使其低于負(fù)值來有意降低反電動勢。這減少了有效轉(zhuǎn)子磁場并允許更高的速度，盡管扭矩降低了。

感測轉(zhuǎn)子位置和繞組電流

FOC 中必須知道轉(zhuǎn)子角位置才能解析 Id 和 Iq 分量。還需要測量定子繞組電流。

有多種方法可用于檢測轉(zhuǎn)子位置。無傳感器監(jiān)控根據(jù)繞組電流、反電動勢和電機(jī)特性模型推斷位置。然而，在高負(fù)載下啟動可能很困難，并且可能需要使用梯形驅(qū)動器啟動電機(jī)。在這種情況下，一個(gè)繞組在任何時(shí)刻都處于斷電狀態(tài)，并且存在的反電動勢的零交叉提供了位置的準(zhǔn)確指示。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)用程序可以更改為正弦 FOC。

或者，使用霍爾傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置可以在高負(fù)載條件下啟動并進(jìn)行精確的扭矩控制。更昂貴的選擇是使用磁性旋轉(zhuǎn)變壓器或具有正交輸出的編碼器，它提供高精度的位置測量并可以感測旋轉(zhuǎn)方向。

此外，測量繞組電流的方法也有多種。最準(zhǔn)確的方法是使用三個(gè)傳感電阻器同時(shí)采樣三個(gè)繞組電流，每個(gè)電阻器都連接到 ADC。通常的方法是測量逆變器橋臂電流(圖 3，左)。

單個(gè)分流電阻器可用于成本敏感的應(yīng)用，有效測量直流母線電流(圖 3，右)。只需要一個(gè)ADC，并使用單分流電流重構(gòu)方法計(jì)算相電流。電流采樣的時(shí)機(jī)對于捕獲準(zhǔn)確的平均值至關(guān)重要。如果有效矢量持續(xù)時(shí)間小于最小測量周期，則精度可能會因振鈴等效應(yīng)而受到影響。非對稱電流采樣可以克服這個(gè)問題，但需要更復(fù)雜的計(jì)算。

圖 3. 使用三分流器(左)和單分流器(右)方法監(jiān)測 BLDC 電機(jī)電流。

實(shí)施 BLDC FOC

完整的電機(jī)控制應(yīng)用需要電源管理、模擬傳感、PWM 生成、柵極驅(qū)動功能以及負(fù)責(zé)執(zhí)行 FOC 算法的處理核心。針對電機(jī)控制進(jìn)行優(yōu)化的片上系統(tǒng)設(shè)備(例如 Qorvo 的基于 Arm? Cortex? 的 PAC5xxx 系列)將此電路集成在單個(gè)封裝中。該系列的一種變體甚至集成了功率 MOSFET，可直接驅(qū)動低功耗 BLDC 電機(jī)，適用于手持設(shè)備和工具等應(yīng)用。這些電源應(yīng)用控制器? IC 支持本文討論的方法，包括無傳感器轉(zhuǎn)子位置測量或使用霍爾傳感器或正交編碼器進(jìn)行檢測以及單分流或三分流電流感應(yīng)。它們還允許混合梯形/FOC 模式，以確保啟動和弱磁以在高于額定速度的情況下運(yùn)行。

結(jié)論

了解梯形、正弦和磁場定向控制之間的差異以及基本工作原理可以幫助工程師在開發(fā) BLDC 電機(jī)應(yīng)用時(shí)選擇正確的控制策略。磁場定向控制可以提供精確的速度控制，具有快速動態(tài)響應(yīng)和最小的扭矩紋波，現(xiàn)在可以使用單芯片控制 IC 來實(shí)現(xiàn)。