無刷電機(jī)矢量控制器

一、結(jié)構(gòu)及其物理特性的差異

現(xiàn)代電機(jī)與控制技術(shù)以電流驅(qū)動(dòng)模式的不同將永磁無刷直流電機(jī)分為方波驅(qū)動(dòng)電機(jī)和正弦波驅(qū)動(dòng)電機(jī)。前者被稱為無刷直流電動(dòng)機(jī)活或是電子換相直流電動(dòng)機(jī)(ElectronicallyCommutated Motor,ECM)，后者曾有人稱為無刷交流電動(dòng)機(jī)BLAC，現(xiàn)在對(duì)于這兩種電機(jī)有了比較明顯且較為廣泛認(rèn)同的稱謂：方波驅(qū)動(dòng)的稱為無刷直流電機(jī)，正弦波驅(qū)動(dòng)的稱為永磁同步電機(jī)。

表面上看，BLDC和PMSM的基本結(jié)構(gòu)是相同的，并且確實(shí)有以下幾個(gè)相同點(diǎn)：

1、他們本質(zhì)上都是永磁電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子由永磁體組成基本結(jié)構(gòu)，定子安放有多相交流繞組;

2、都是由永磁體轉(zhuǎn)子和繞組定子的交流電流相互作用產(chǎn)生電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，本質(zhì)利用的物理原理都是通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力;

3、在繞組中的驅(qū)動(dòng)電流必須與轉(zhuǎn)子位置反饋同步。

這兩種電機(jī)的不同點(diǎn)在于：

1、無刷直流電動(dòng)機(jī)BLDC是方波電流驅(qū)動(dòng)，而永磁同步電機(jī)PMSM是正弦波電流驅(qū)動(dòng)。其不同之處主要由這一點(diǎn)造成。

2、永磁同步電機(jī)PMSM在電氣和機(jī)械方面更加安靜，轉(zhuǎn)矩基本沒有脈動(dòng)，而BLDC是方波驅(qū)動(dòng)，存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。其原因在于：由于電感存在， 電流不會(huì)突變，因此在換相過程中斷開相電流，電流下降的過程和新接入的新相電流上升過程都需要時(shí)間，因此相電流不可能是理想的方波，從而會(huì)產(chǎn)生非換相相電流脈動(dòng)，從而引起換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

3、因?yàn)轵?qū)動(dòng)電流不同，氣息磁場(chǎng)波形、反電動(dòng)勢(shì)波形、轉(zhuǎn)矩波形均不相同。如下圖所示為理想情況下：磁通密度分布、相反電動(dòng)勢(shì)、相電流和電磁轉(zhuǎn)矩波形。此處電流為理想方波，實(shí)際是不存在的。

4、電流環(huán)路結(jié)構(gòu)不同，速度反饋信息的獲取也不相同。

5、電動(dòng)機(jī)氣息磁通密度分布設(shè)計(jì)和繞組設(shè)計(jì)不同，一個(gè)是針對(duì)正弦波驅(qū)動(dòng)，一個(gè)是針對(duì)方波驅(qū)動(dòng)，永磁同步電機(jī)追求正弦磁通，其繞組分布更多更分散，而無刷直流電機(jī)相對(duì)簡(jiǎn)單，所以無刷直流電機(jī)造價(jià)相對(duì)便宜一些。

通過以上的分析，我們可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)BLDC的一個(gè)最大的缺點(diǎn)就是轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)，其原因是方波驅(qū)動(dòng)的固有缺點(diǎn)，那在很多篇文章和實(shí)際應(yīng)用案例中，BLDC的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)都是一個(gè)著重解決的問題，因此本篇文章不做具體闡述，這個(gè)重要的問題，在后面重點(diǎn)以單篇的形式進(jìn)行分析。其實(shí)分析到這里就有人要問了，為什么永磁同步電機(jī)這么香，還要用BLDC呢?無他，省錢省事(手動(dòng)狗頭)，電機(jī)便宜，方波的發(fā)波方式相對(duì)于SVPWM要簡(jiǎn)單，CPU要求不高。我們自己學(xué)習(xí)的時(shí)候用的芯片，帶BLDC都是妥妥的。

二、數(shù)學(xué)模型的區(qū)別

永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型一般以dq軸坐標(biāo)系的模型為主要分析對(duì)象，這是因?yàn)橛来磐诫姍C(jī)的電感是線性的，其反電動(dòng)勢(shì)波形也是正弦的，在一個(gè)基波周期內(nèi)的波形越接近于正弦，其諧波含量越小，精度越高，PMSM在dq坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型為：

電壓方程：

定子磁鏈方程：

電磁轉(zhuǎn)矩方程：

運(yùn)動(dòng)平衡方程：

無刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，由于BLDC采用整距集中繞組，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為梯形波，包含許多高次諧波，并且BLDC的電感為非線性電感，因此BLDC并不適合在dq軸坐標(biāo)系，坐標(biāo)變換理論也并不適合，主要還是諧波太多了，dq分析不是很有效的方法，因此在分析和仿真BLDC控制系統(tǒng)時(shí)，直接采用相變量法，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置，采用分段線性表示感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及其他物理量。

電壓方程：式中R為相定子電阻，i為相電流，P為微分算子，Lx為相定子電感，Lxy為相間互感，e為相反電動(dòng)勢(shì)。

電磁轉(zhuǎn)矩方程：式中w為角速度，單位為rad/s?？梢钥吹?，BLDC的電磁轉(zhuǎn)矩和普通直流電機(jī)類似，其輸出轉(zhuǎn)矩大小與磁通大小和電流幅值成正比，因此控制逆變器輸出的電流幅值即可控制輸出轉(zhuǎn)矩。

運(yùn)動(dòng)平衡方程：式中B為摩擦系數(shù)，w為角速度，TL為負(fù)載轉(zhuǎn)速，dw/dt為加速度，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

其等效電路如下圖所示：可以看到BLDC是基于每相電路去分析的，都是一個(gè)電阻負(fù)載和一個(gè)電感負(fù)載，三相以星接的方式接在一起。因此也有重點(diǎn)電壓方程為：

三、驅(qū)動(dòng)方式(調(diào)制模式之間的區(qū)別)

我想第三點(diǎn)大家最關(guān)心的就是BLDC和PMSM在發(fā)波方式上的區(qū)別了，其實(shí)控制器大都是PI調(diào)節(jié)器，我有了這個(gè)控制指令之后，如何驅(qū)動(dòng)逆變器呢?BLDC和PMSM也是存在比較大的區(qū)別的，害，調(diào)制是最難的，處理恐懼的方式最好的就是面對(duì)它。干就完事兒了。兩者的功率回路是一樣的，這也意味著驅(qū)動(dòng)BLDC的主回路也可以驅(qū)動(dòng)PMSM。

首先PMSM的驅(qū)動(dòng)發(fā)波方式，主要以FOC/SVPWM為主，SVPWM的理論基礎(chǔ)是平均值等效原理，即在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)通過對(duì)基本電壓矢量加以組合，使其平均值與給定電壓矢量相等。在某個(gè)時(shí)刻，電壓矢量旋轉(zhuǎn)到某個(gè)區(qū)域中，可由組成這個(gè)區(qū)域的兩個(gè)相鄰的非零矢量和零矢量在時(shí)間上的不同組合來得到。兩個(gè)矢量的作用時(shí)間在一個(gè)采樣周期內(nèi)分多次施加，從而控制各個(gè)電壓矢量的作用時(shí)間，使電壓空間矢量接近按圓軌跡旋轉(zhuǎn)，通過逆變器的不同開關(guān)狀態(tài)所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近理想磁通圓，并由兩者的比較結(jié)果來決定逆變器的開關(guān)狀態(tài),從而形成PWM波形。這個(gè)有很多地方都有詳細(xì)的解釋，推薦一個(gè)大佬是解釋，大佬就是大佬，詳細(xì)具體，感謝他們的工作。

J Pan：如何深入理解SVPWM?900 贊同 · 159 評(píng)論文章

而BLDC就和這個(gè)有著明顯的差距，主要存在以下6中PWM發(fā)波方式，

第一種：on_pwm，120周期內(nèi)的前60周期恒通，后60°斬波PWM調(diào)制。ABC三相同理。

第二種：pwm_on，120周期內(nèi)的后60周期恒通，前60°斬波PWM調(diào)制。

第三種：H_pwm_L_pwn，是全120全調(diào)制。

第四種：H_pwm_L_on，上管調(diào)制，下管恒通。

第五種，H_on_L_pwm，上管調(diào)制，下管恒通。

第六種：H_L_pwm，上下管交替調(diào)制。

在這六種調(diào)制方法中，( c)和(f〉稱為“雙斬”方式，即兩個(gè)開關(guān)管都進(jìn)行斬波;其余四種都叫“單斬”方式，即一個(gè)開關(guān)管恒通，另外一個(gè)進(jìn)行斬波。單斬方式中，只斬上臂( d)或只斬下臂(e)這兩種方式實(shí)現(xiàn)較容易，但是會(huì)造成上下管的發(fā)熱不均勻。而(a)(b)這兩種單斬方式的開關(guān)損耗與(d)(e)相同，但是在兩管中平均分配。雙斬方式( c)中，開關(guān)損耗是單斬方式的兩倍，降低了控制器的效率，并且發(fā)熱增加了--倍。因此這種調(diào)制方式用的很少。(f)中利用兩個(gè)管子輪流進(jìn)行調(diào)制，上下兩管的開關(guān)損耗相同，并且等效的開關(guān)頻率增加了一倍，特別是在一些器件的開關(guān)頻率較低的情況下，可以采用這種方法來提高等效開關(guān)頻率，是一種較理想的調(diào)制方法。

小結(jié)：

無刷直流電動(dòng)機(jī)和永磁同步電機(jī)追根朔源其實(shí)是一種電機(jī)，結(jié)構(gòu)上相同，只是由于驅(qū)動(dòng)電流方式的不同，所以也有了各種不同的特性。在降低成本的前提下，也相應(yīng)的降低了性能，需要通過特定的控制策略對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。