2022年BLDC電機(jī)控制算法

1、BLDC電機(jī)掌握算法無刷電機(jī)屬于自換流型 自我方向轉(zhuǎn)換 ,因此掌握起來更加復(fù)雜；BLDC電機(jī)掌握要求明白電機(jī)進(jìn)行整流轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)子位置和機(jī)制；對于閉環(huán)速度掌握,有兩個附加要求,即對于轉(zhuǎn)子速度 / 或電機(jī)電流以及 PWM信號進(jìn)行測量,以掌握電機(jī)速度功率；BLDC電機(jī)可以依據(jù)應(yīng)用要求采納邊排列或中心排列 PWM信號； 大多數(shù)應(yīng)用僅要求速度變化操作,將采納 6 個獨(dú)立的邊排列 PWM信號； 這就供應(yīng)了最高的辨論率；假如應(yīng)用要求服務(wù)器定位、能耗制動或動力倒轉(zhuǎn),舉薦使用補(bǔ)充的中心排列 PWM信號；為了感應(yīng)轉(zhuǎn)子位置,BLDC電機(jī)采納霍爾效應(yīng)傳感器來供應(yīng)肯定定位感應(yīng)；這就導(dǎo)致了更多線的使用和更高的成本；無傳感器

2、 BLDC掌握省去了對于霍爾傳感器的需要,而是采納電機(jī)的反電動勢（電動勢）來猜測轉(zhuǎn)子位置；無傳感器掌握對于像風(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(jī)時,冰箱和空調(diào)壓縮機(jī)也需要無傳感器掌握；空載時間的插入和補(bǔ)充大多數(shù) BLDC電機(jī)不需要互補(bǔ)的PWM、空載時間插入或空載時間補(bǔ)償；可能會要求這些特性的BLDCAC、或 PC同步電機(jī)；應(yīng)用僅為高性能BLDC伺服電動機(jī)、正弦波鼓勵式BLDC電機(jī)、無刷掌握算法很多不同的掌握算法都被用以供應(yīng)對于 BLDC電機(jī)的掌握；典型地,將功率晶體管用作線性穩(wěn)壓器來掌握電機(jī)電壓；當(dāng)驅(qū)動高功率電機(jī)時,這種方法并不有用；高功率電機(jī)必需采納 PWM掌握,并要求

3、一個微掌握器來供應(yīng)起動和掌握功能；掌握算法必需供應(yīng)以下三項(xiàng)功能：用于掌握電機(jī)速度的 PWM電壓用于對電機(jī)進(jìn)整流換向的機(jī)制利用反電動勢或霍爾傳感器來猜測轉(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(jī)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(jī)相同；可以用可變電壓來掌握電機(jī)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,可依據(jù)轉(zhuǎn)子位置生成正確的轉(zhuǎn)矩；在一個 BLDC電機(jī)中, MCU必需知道轉(zhuǎn)子的位置并能夠在恰當(dāng)?shù)臅r間進(jìn)行整流換向；BLDC電機(jī)的梯形整流換向?qū)τ谥绷鳠o刷電機(jī)的最簡潔的方法之一是采納所謂的梯形整流換向；圖 1：用于

4、 BLDC電機(jī)的梯形掌握器的簡化框圖在這個原理圖中,每一次要通過一對電機(jī)終端來掌握電流,而第三個電機(jī)終端總是與電源電子性斷開；嵌入大電機(jī)中的三種霍爾器件用于供應(yīng)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(jī)掌握器上供應(yīng)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(jī)的轉(zhuǎn)向,電機(jī)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；圖 2：梯形掌握：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,從零開頭到正電流再到零然后再到負(fù)電流；這就產(chǎn)

5、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(jìn)行步升時,它將接近平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)；在像空調(diào)和冰霜這樣的電機(jī)應(yīng)用中,采納霍爾傳感器并不是一個不變的挑選；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)因其掌握電路的簡易性而特別一般,問題；BDLC電機(jī)的正弦整流換向但是它們在整流過程中卻要遭受轉(zhuǎn)矩紋波梯形整流換向仍不足以為供應(yīng)平穩(wěn)、精準(zhǔn)的無刷直流電機(jī)掌握；這主要是由于在一個三相無刷電機(jī)（帶有一個正統(tǒng)波反電動勢）中所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩由以下等式來定義：轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩 = Kt I R Sin. + I S Sin.+120 +I T Sin.+240其中. 為轉(zhuǎn)軸的電角度 Kt 為電機(jī)

6、的轉(zhuǎn)矩常數(shù) IR、IS和 IT為相位電流；假如相位電流是正弦的: IR= I0Sin.; IS = I0Sin +120.; IT = I0Sin +240.將得到轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩 = *Kt 一個獨(dú)立于轉(zhuǎn)軸角度的常數(shù) 正弦整流換向無刷電機(jī)掌握器努力驅(qū)動三個電機(jī)繞組,其三路電流隨著電機(jī)轉(zhuǎn)動而平穩(wěn)的進(jìn)行正弦變化； 挑選這些電流的相關(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；這就排除了與北形轉(zhuǎn)向相關(guān)的轉(zhuǎn)矩紋波和轉(zhuǎn)向脈沖；為了隨著電機(jī)的旋轉(zhuǎn),生成電機(jī)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；霍爾器件僅供應(yīng)了對于轉(zhuǎn)子位置的粗略運(yùn)算,仍不足以達(dá)到目的要

7、求；基于這個緣由,就要求從編碼器或相像器件發(fā)出角反饋；圖 3：BLDC電機(jī)正弦波掌握器的簡化框圖由于繞組電流必需結(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需是正弦的而且相移為 120 度；采納編碼器中的位置信息來對兩個正弦波進(jìn)行合成,兩個間的相移為 120 度；然后, 將這些信號乘以轉(zhuǎn)矩命令,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(jī)繞組中調(diào)制電流的 P-I 掌握器；第三個轉(zhuǎn)子繞組中的電流是受控繞組電流的負(fù)和,因此不能被

8、分別掌握；每個 P-I 掌握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(jī)終端；應(yīng)用到第三個電機(jī)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,適當(dāng)用于分別間隔 120 度的三個正弦電壓；結(jié)果, 實(shí)際輸出電流波型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)固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)固掌握的正弦整流轉(zhuǎn)向結(jié)果；然而, 由于其在低電機(jī)速度下效率很高, 在高電機(jī)速度下將會分開；這是由于速度提高,電流回流掌握器必需跟蹤一個增加頻率的正弦信號；同時,它們必需克服隨著速度提高在振幅和頻率下增加的電機(jī)的反電動勢；由于 P-I 掌握器具有有限增益和頻

9、率響應(yīng),對于電流掌握回路的時間變量干擾將引起相位滯后和電機(jī)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)生這種情形時,通過肯定量的電流可以產(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,這種降低將會連續(xù)；在某種程度上,電流的相位位移超過 90 度；當(dāng)產(chǎn)生這種情形時,轉(zhuǎn)矩減至為零；通過正弦的結(jié)合,上面這點(diǎn)的速度導(dǎo)致了負(fù)轉(zhuǎn)矩,因此也就無法實(shí)現(xiàn)；返回頁首AC電機(jī)掌握算法標(biāo)量掌握標(biāo)量掌握（或 V/Hz 掌握）是一個掌握指令電機(jī)速度的簡潔方法指令電機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型主要用于獲得技術(shù),因此瞬態(tài)性能是不行能實(shí)現(xiàn)的；系統(tǒng)不具有電流

10、回路；為了掌握電機(jī),三相電源只有在振幅和頻率上變化；矢量掌握或磁場定向掌握在電動機(jī)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)兩個磁場相互正交時達(dá)到峰值；在基于標(biāo)量的掌握中,兩個磁場間的角度顯著變化；矢量掌握設(shè)法在 AC電機(jī)中再次制造正交關(guān)系；為了掌握轉(zhuǎn)矩,各自從產(chǎn)生磁通量中生成電流,以實(shí)現(xiàn) DC機(jī)器的響應(yīng)性；一個 AC指令電機(jī)的矢量掌握與一個單獨(dú)的勵磁 DC電機(jī)掌握相像；在一個 DC電機(jī)中,由勵磁電流 IF 所產(chǎn)生的磁場能量 F與由電樞電流 IA所產(chǎn)生的電樞磁通 A正交；這些磁場都經(jīng)過去耦并且相互間很穩(wěn)固；因此,當(dāng)電樞電流受控以掌握轉(zhuǎn)矩時,磁場能量仍保持不受影響,并實(shí)現(xiàn)了更快的瞬態(tài)響應(yīng)；三

11、相 AC電機(jī)的磁場定向掌握（FOC）包括仿照 DC電機(jī)的操作；全部受控變量都通過數(shù)學(xué)變換,被轉(zhuǎn)換到 DC而非 AC；其目標(biāo)的獨(dú)立的掌握轉(zhuǎn)矩和磁通；磁場定向掌握（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運(yùn)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；矢量掌握要求明白轉(zhuǎn)子磁通的位置,并可以運(yùn)用終端電流和電壓（采納 AC感應(yīng)電機(jī)的動態(tài)模型）的學(xué)問,通過高級算法來運(yùn)算；然而從實(shí)現(xiàn)的角度看,對于運(yùn)算資源的需求是至關(guān)重要的；可以采納不同的方式來實(shí)現(xiàn)矢量掌

12、握算法；響應(yīng)和穩(wěn)固性；AC電機(jī)的矢量掌握：深化明白前饋技術(shù)、 模型估算和自適應(yīng)掌握技術(shù)都可用于增強(qiáng)矢量掌握算法的核心是兩個重要的轉(zhuǎn)換: Clark轉(zhuǎn)換, Park 轉(zhuǎn)換和它們的逆運(yùn)算；采納Clark和 Park 轉(zhuǎn)換,帶來可以掌握到轉(zhuǎn)子區(qū)域的轉(zhuǎn)子電流；這種做充許一個轉(zhuǎn)子掌握系統(tǒng)打算應(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轉(zhuǎn)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 正交基準(zhǔn)面的組成部分,Io 是不重要的homoplanar 部分圖 4：三相轉(zhuǎn)子電流與轉(zhuǎn)動參考系的關(guān)系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

13、 , 幀表示通過Clarke 轉(zhuǎn)換進(jìn)行運(yùn)算,然后輸入到矢量轉(zhuǎn)動模塊,它在這里轉(zhuǎn)動角 ,以符合附著于轉(zhuǎn)子能量的d, q幀；依據(jù)上述公式,實(shí)現(xiàn)了角度的轉(zhuǎn)換；AC電機(jī)的磁場定向矢量掌握的基本結(jié)構(gòu)圖 2 顯示了 AC電機(jī)磁場定向矢量掌握的基本結(jié)構(gòu)；Clarke 變換采納三相電流 IA, IB 以及 IC ,來運(yùn)算兩相正交定子軸的電流 I 和 I ；這兩個在固定座標(biāo)定子相中的電流被變換成 Isd 和 Isq ,成為 Park 變換 d, q 中的元素；其通過電機(jī)通量模型來運(yùn)算的電流 Isd, Isq 以及瞬時流量角 被用來運(yùn)算溝通感應(yīng)電機(jī)的電動扭矩；圖 2：矢量掌握溝通電機(jī)的基本原理這些導(dǎo)出值與參考值相

14、互比較,并由 PI 掌握器更新；表 1：電動機(jī)標(biāo)量掌握和矢量掌握的比較：掌握參數(shù)V/Hz 掌握矢量掌握無傳感器矢量掌握速度調(diào)劑%1%轉(zhuǎn)矩調(diào)劑Poor+/- 2%+/- 5%電機(jī)模型不要求要求要求精確的模型MCU處理功率低高高 + DSP可以采納同一原理,基于矢量的電機(jī)掌握的一個固有優(yōu)勢是,挑選適合的數(shù)學(xué)模型去分別掌握各種類型的 AC, PM-AC 或者 BLDC 電機(jī)；BLDC電機(jī)的矢量掌握 BLDC電機(jī)是磁場定向矢量掌握的主要挑選；采納了 FOC的無刷電機(jī)可以獲得更高的效率,最高 效率可以達(dá)到 95%,并且對電機(jī)在高速時也特別有效率；返回頁首 步進(jìn)電機(jī)掌握算法 步進(jìn)電機(jī)掌握步進(jìn)電機(jī)掌握通常采

15、納雙向驅(qū)動電流,其電機(jī)步進(jìn)由按次序切換繞組來實(shí)現(xiàn)；通常這種步進(jìn)電機(jī)有 3 個驅(qū)動次序：1. 單相全步進(jìn)驅(qū)動：在這種模式中, 其繞組按如下次序加電,AB/CD/BA/DC BA 表示繞組AB 的加電是反方向進(jìn)行的 ；這一次序被稱為單相全步進(jìn)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(jìn)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(jìn),這一 模式是兩極電機(jī)的常態(tài)驅(qū)動次序,可輸出的扭矩最大；3 半步進(jìn)模式 ：這種模式將單相步進(jìn)和雙相步進(jìn)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(jī)以半步進(jìn)增量運(yùn)轉(zhuǎn)；這一模式被稱為半步進(jìn)模式,其電機(jī)每個勵磁的有效步距角削減了一半,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 ,假如次序相反就不行；通常,步進(jìn)電機(jī)具有多極,以便減小步距角,但是,繞組的數(shù)量和驅(qū)動次序是不變的；返回頁首通用 DC電機(jī)掌握算法通用電機(jī)的速度掌握,特殊是采納2 種電路的電機(jī)：1. 相角掌握斬波掌握相角掌握相角掌握是通用電機(jī)速度掌握的最簡潔的方法；通過 TRIAC的點(diǎn)弧角的變動來掌握速度；相角控制是特別經(jīng)濟(jì)的解決方案,但是,效率不太高,易于電磁干擾 EMI ；通用電機(jī)的相角掌握以上示圖說明白相角掌握的機(jī)理,