BLDC控制策略的選擇與實(shí)施

了解梯形、正弦和磁場(chǎng)定向控制之間的區(qū)別可以幫助工程師理解磁場(chǎng)定向控制 (FOC)的價(jià)值以及可用于優(yōu)化其設(shè)計(jì)的選擇。

與傳統(tǒng)的有刷直流電機(jī)相比，BLDC 電機(jī)更小、更輕、更安靜，同時(shí)還能提高消費(fèi)、工業(yè)、汽車和醫(yī)療應(yīng)用的可靠性和能源效率。其無(wú)刷結(jié)構(gòu)消除了機(jī)械磨損、導(dǎo)電灰塵、可聽(tīng)噪聲和電弧等問(wèn)題，簡(jiǎn)化了設(shè)備設(shè)計(jì)和維護(hù)。

控制策略包括從基本的梯形控制到更平滑的正弦控制和磁場(chǎng)定向控制 (FOC)，讓工程師可以選擇各種選項(xiàng)來(lái)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(jiǎn)單的“開(kāi)關(guān)”勵(lì)磁方式依次為三個(gè)定子繞組通電，作用于轉(zhuǎn)子中永磁體的靜磁場(chǎng)，使其旋轉(zhuǎn)。該循環(huán)包括施加到每個(gè)繞組的六個(gè)脈沖，以執(zhí)行一次旋轉(zhuǎn)。波形相對(duì)容易生成，并產(chǎn)生梯形反電動(dòng)勢(shì)，如圖1左側(cè)所示。但是，轉(zhuǎn)子上的力并不完全沿切向，這對(duì)于確保連續(xù)最大扭矩來(lái)說(shuō)是理想的。電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)周期性的徑向分量，這會(huì)降低效率并導(dǎo)致磨損、發(fā)熱和所謂的“扭矩波動(dòng)”。

圖 1. BLDC 的六步正弦控制。

正弦和磁場(chǎng)定向控制

從理論上講，應(yīng)用正弦激勵(lì)可以產(chǎn)生平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)始終垂直于轉(zhuǎn)子磁鐵的磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生一致的扭矩，如圖 1 右側(cè)所示。實(shí)際上，繞組電感和反電動(dòng)勢(shì)等效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生的電流和磁場(chǎng)發(fā)生相移，從而阻止簡(jiǎn)單的正弦控制提供平穩(wěn)而準(zhǔn)確的控制。

磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 動(dòng)態(tài)校正定子磁場(chǎng)幅度和方向，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用所要求的扭矩和速度。該算法根據(jù)瞬時(shí)測(cè)量的轉(zhuǎn)子位置計(jì)算最佳繞組電流。

磁場(chǎng)定向控制可實(shí)現(xiàn)扭矩最大化

原則上，F(xiàn)OC 控制交流勵(lì)磁電流，使產(chǎn)生的磁場(chǎng)角度始終垂直于轉(zhuǎn)子磁鐵的磁場(chǎng)。這樣可以產(chǎn)生最大扭矩，消除扭矩波動(dòng)，提高效率，并通過(guò)消除軸承上的徑向載荷將機(jī)械磨損降至最低。

定子繞組電流以及由此產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向可以表示為三個(gè)旋轉(zhuǎn)矢量，它們?cè)谝粋€(gè)共同的靜態(tài)框架中相隔 120 度。為了最大限度地減少扭矩波動(dòng)并最大限度地提高效率，這些電流I U、I V和I W必須保持平衡，以使它們的凈和為零。FOC 旨在實(shí)現(xiàn)這種平衡，首先應(yīng)用“Clarke”變換。這將電流簡(jiǎn)化為兩個(gè)幅度為Iα和Iβ的旋轉(zhuǎn)矢量，它們?cè)陟o態(tài)框架中相隔 90 度：

在旋轉(zhuǎn)參考平面中將這些矢量轉(zhuǎn)換為靜態(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)定狀態(tài)下，I D和 I Q是恒定值，可以解釋為定子繞組電流的分量，分別表示切向和不必要的徑向扭矩。FOC 使用這些值作為反饋回路的輸入，通常使用比例積分 (PI) 控制器來(lái)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經(jīng)過(guò) Park 逆變換和 Clarke 逆變換，隨后進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制，以驅(qū)動(dòng)功率級(jí)，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(duì)瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)精度進(jìn)行優(yōu)化，并且嚴(yán)重依賴于實(shí)際電機(jī)參數(shù)，特別是繞組電阻和電感。但是，先進(jìn)的 FOC 控制器(例如Qorvo [1] 的控制器)具有自動(dòng)調(diào)諧功能，可以“學(xué)習(xí)”所連接電機(jī)的特性。圖 2 顯示了使用 FOC 的 BLDC 電機(jī)控制器的輪廓。

圖 2.驅(qū)動(dòng) 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音或振動(dòng)或需要低諧波接觸的應(yīng)用。此外，F(xiàn)OC 可使應(yīng)用在需要時(shí)以高于標(biāo)稱速度的速度運(yùn)行。這是通過(guò)“磁場(chǎng)減弱”實(shí)現(xiàn)的，其中通過(guò)控制電流I D降低到負(fù)值來(lái)故意降低反電動(dòng)勢(shì)。這降低了有效轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)并允許更高的速度，盡管扭矩會(huì)降低。

感應(yīng)轉(zhuǎn)子位置和繞組電流

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

有幾種方法可以檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置。無(wú)傳感器監(jiān)控可根據(jù)繞組電流、反電動(dòng)勢(shì)和電機(jī)特性模型推斷位置。然而，在高負(fù)載下啟動(dòng)可能很困難，可能需要使用梯形驅(qū)動(dòng)器啟動(dòng)電機(jī)。在這種情況下，一個(gè)繞組在任何時(shí)刻都處于不通電狀態(tài)，而存在的反電動(dòng)勢(shì)的零交叉可準(zhǔn)確指示位置。然后，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(cè)轉(zhuǎn)子位置可以在高負(fù)載條件下啟動(dòng)并實(shí)現(xiàn)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，它們可以提供高精度的位置測(cè)量并可以感測(cè)旋轉(zhuǎn)方向。

此外，測(cè)量繞組電流的方法也有很多種。最準(zhǔn)確的方法是使用三個(gè)傳感電阻同時(shí)對(duì)三個(gè)繞組電流進(jìn)行采樣，每個(gè)電阻都連接到一個(gè) ADC。通常的方法是測(cè)量逆變器支路電流(圖 3，左)。

對(duì)于成本敏感的應(yīng)用，可以使用單個(gè)分流電阻器來(lái)有效測(cè)量直流鏈路電流(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)間對(duì)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(cè)量周期，則振鈴等效應(yīng)可能會(huì)影響準(zhǔn)確性。非對(duì)稱電流采樣可以克服這個(gè)問(wèn)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(cè) 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、模擬感應(yīng)、PWM 生成、柵極驅(qū)動(dòng)功能以及負(fù)責(zé)執(zhí)行 FOC 算法的處理核心。針對(duì)電機(jī)控制優(yōu)化的片上系統(tǒng)設(shè)備(例如 Qorvo 基于 Arm? Cortex? 的 PAC5xxx 系列)將此電路集成在單個(gè)封裝中。該系列中的一種變體甚至集成了功率 MOSFET，可直接驅(qū)動(dòng)低功耗 BLDC 電機(jī)，用于手持設(shè)備和工具等應(yīng)用。這些 Power Application Controller? IC 支持本文討論的方法，包括使用霍爾傳感器或正交編碼器進(jìn)行無(wú)傳感器轉(zhuǎn)子位置測(cè)量或檢測(cè)以及單分流器或三分流器電流感應(yīng)。它們還允許混合梯形/FOC 模式，以確保啟動(dòng)和磁場(chǎng)削弱，以實(shí)現(xiàn)高于標(biāo)稱速度的運(yùn)行。

結(jié)論

了解梯形、正弦和磁場(chǎng)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(kāi)發(fā) BLDC 電機(jī)應(yīng)用時(shí)選擇正確的控制策略。磁場(chǎng)定向控制可以提供精確的速度控制、快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和最小的扭矩波動(dòng)，現(xiàn)在可以使用單芯片控制 IC 來(lái)實(shí)現(xiàn)。