概述

本文主要介紹BLDC 電機(jī)控制的實(shí)現(xiàn)原理，還介紹了3類直流電機(jī)的工作方式以及控制的特點(diǎn)。從簡(jiǎn)單的鉆機(jī)到復(fù)雜的工業(yè)機(jī)器人，許多機(jī)器設(shè)備都使用無刷直流電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。掌握直流電機(jī)的控制是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的基本技能。

1 無刷電機(jī)介紹

1.1 電機(jī)原理

無刷直流電機(jī)也稱為 BLDC 電機(jī)，相比有 刷直流電機(jī)具備諸多優(yōu)勢(shì)。BLDC 電機(jī)更高 效，所需的維護(hù)更少，因而已在許多應(yīng)用中取 代了有刷電機(jī)。 兩類電機(jī)的運(yùn)行原理相似，均由永磁體和電磁體的磁極吸引和排斥產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。但這些電機(jī)的控制方 式卻大不相同。BLDC 需要復(fù)雜的控制器才能將單個(gè)直流電源轉(zhuǎn)換為三相電壓，而有刷電機(jī)可以通過調(diào) 節(jié)直流電壓來控制。

有刷直流電機(jī)和無刷直流電機(jī)的比較：

1.2 電機(jī)的類型

1.2.1 有刷直流電機(jī)

在有刷直流電機(jī)中，直流電流通過轉(zhuǎn)子 的線圈繞組，使電磁體產(chǎn)生極性。這些轉(zhuǎn)子的磁極與 固定永磁體（稱為定子）的磁極相互作用，從而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

1.2.2 無刷直流電機(jī)（BLDC）

BLDC 電機(jī)采用電子換相來代替機(jī)械換相，克服了有 刷電機(jī)的上述缺陷。為了更好地理解這一點(diǎn)，有必要 進(jìn)一步了解 BLDC 電機(jī)結(jié)構(gòu)。 BLDC 電機(jī)與有刷電機(jī)構(gòu)造相反，其永磁體安裝在轉(zhuǎn) 子中，而線圈繞組則成為定子。

電機(jī)的磁體布局不盡相同，定子可能具有不同數(shù)量的 繞組，而轉(zhuǎn)子可能具有多個(gè)極對(duì)，如以下動(dòng)畫所示。

無刷直流電機(jī)的電勢(shì)：BLDC 梯形反電動(dòng)勢(shì) 采用梯形換相控制

1.2.3 永磁同步電機(jī) (PMSM)

PMSM和BLDC 的結(jié)構(gòu)類似，其永磁體均置于轉(zhuǎn)子，并被定義為同步電機(jī)。在同步電機(jī)中，轉(zhuǎn)子與定 子磁場(chǎng)同步，即轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度與定子磁場(chǎng)相同。 它們的主要區(qū)別在于其反電動(dòng)勢(shì)（反 EMF）的形狀。電機(jī)在旋轉(zhuǎn)時(shí)充當(dāng)發(fā)電機(jī)。也就是說，定子中產(chǎn)生感 應(yīng)電壓，與電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓反向。反電動(dòng)勢(shì)是電機(jī)的重要特征，因?yàn)槠湫螤顩Q定了對(duì)電機(jī)進(jìn)行最優(yōu)控制所 需的算法

PMSM的電勢(shì)：正弦反電動(dòng)勢(shì)，采用磁場(chǎng)定向控制

2 BLDC 電機(jī)控制的概述

2.1 無刷直流 (BLDC) 電機(jī)控制介紹

與機(jī)械換相或“有刷”電機(jī)相比，電子換相或“無刷”電機(jī)以其更高的電效率和轉(zhuǎn)矩重量比而一直倍受歡迎。無刷直流 (BLDC) 電機(jī)和永磁同步電機(jī) (PMSM)的差異主要如下：

永磁同步電機(jī) (PMSM)的控制方式：

1）采用分布式定子繞組而呈現(xiàn)正弦反電動(dòng)勢(shì)

2）只使用磁場(chǎng)定向控制

無刷直流 (BLDC) 電機(jī))的控制方式：

1）采用集中式繞組，其反電動(dòng)勢(shì)呈現(xiàn)梯形

2）可選擇使用磁場(chǎng)定向控制

2.2 無刷直流電機(jī)的控制方法

無刷直流電機(jī)通常使用梯形控制，但也會(huì)使用磁場(chǎng)定向控制。梯形 BLDC 電機(jī)控制是一種比磁場(chǎng)定向控制更簡(jiǎn)單的方法。通過這種方法，一次僅為兩相供電。轉(zhuǎn)矩控制僅需一個(gè) PID 控制器，而且與磁場(chǎng)定向控制相反，它無需使用帕克變換和克拉克變換進(jìn)行坐標(biāo)變換。

3 六步換相

3.1 原理簡(jiǎn)介

為了更好地理解施加外部電壓時(shí) BLDC 電機(jī)的行為，我 們將使用前面介紹的配置，其中轉(zhuǎn)子由單極對(duì)組成，而定 子由夾角為 120 度的三個(gè)線圈組成。讓電流通過線圈，給 線圈（此處稱為 A 相、B 相和 C 相）通電。轉(zhuǎn)子的北極用 紅色表示，南極用藍(lán)色表示。 一開始，線圈沒有通電，轉(zhuǎn)子處于靜止?fàn)顟B(tài)。在 A 相與 C 相之間施加電壓（如動(dòng)畫所示），即會(huì)沿虛線產(chǎn)生復(fù)合磁 場(chǎng)。這使轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)，從而與定子磁場(chǎng)對(duì)齊。

線圈對(duì)共有六種通電方法，如下所示。每次換相后，定子 磁場(chǎng)相應(yīng)旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)子，使之旋轉(zhuǎn)至圖示位置。在 下面的動(dòng)畫中，轉(zhuǎn)子角度是相對(duì)于水平軸而言的，轉(zhuǎn)子共 有六種對(duì)齊方式，兩兩相差 60 度。

也就是說，如果每 60 度以正確的相位執(zhí)行一次換相，電機(jī)將連續(xù)旋轉(zhuǎn)，如以下動(dòng)畫所示。此類控制被稱為 六步換相或梯形控制。

此類電機(jī)可以包含更多極對(duì)，但這就要求更為頻繁地?fù)Q相。為了在合適的時(shí)機(jī)以正確的相位執(zhí)行電機(jī)換 相，控制器需要時(shí)刻掌握轉(zhuǎn)子的確切位置，對(duì)此通常使用霍爾傳感器進(jìn)行測(cè)量。

3.2 電機(jī)和扭矩產(chǎn)生

將鼠標(biāo)懸停在動(dòng)畫上，可查看兩極如何相互作用。箭頭表示相對(duì)磁力，箭頭粗細(xì)表示場(chǎng)強(qiáng)。相同磁極相互 排斥，從而使轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，相反磁極相互吸引，從而在同一方向增加扭矩。

將先前討論的定子磁場(chǎng)疊加到動(dòng)畫中，可以很明顯地看 出，在這種換相方式中，轉(zhuǎn)子從不對(duì)齊定子磁場(chǎng)（圖中的 黃色虛線），而是一直在追趕定子磁場(chǎng)。

在 BLDC 電機(jī)中采用這種方式換相有兩個(gè)原因。首先，如果 允許轉(zhuǎn)子和定子磁場(chǎng)完全對(duì)齊，此時(shí)產(chǎn)生的扭矩為零，這不 利于旋轉(zhuǎn)。其次，磁場(chǎng)夾角為 90 度時(shí)可產(chǎn)生最大扭矩。因 此，目標(biāo)是使該夾角接近 90 度。

但在 BLDC 電機(jī)中，采用六步換相無法讓夾角始終保持 90 度，夾角將在 60 度和 120 度之間波動(dòng)，如以下動(dòng)畫所示。 這是因?yàn)樘菪慰刂频男再|(zhì)相對(duì)簡(jiǎn)單。磁場(chǎng)定向控制等更先 進(jìn)的方法可實(shí)現(xiàn)定子與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)間 90 度夾角，以此產(chǎn)生更 大的扭矩，該方法常用于之前提到的 PMSM 控制。

4 三相逆變器的工作原理

為了在六步換相過程中控制相位，可使用三相逆變器將直流電引導(dǎo)到三個(gè)相，從而在正（紅）負(fù)（藍(lán)）電流 之間切換。為了向其中一個(gè)相供應(yīng)正電流，需要打開連接到該相的高端開關(guān)，要供應(yīng)負(fù)電流，則需要打開低端開關(guān)。

當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子磁場(chǎng)夾角在 60 至 120 度之間時(shí)，按上述模式執(zhí)行此操作，三相逆變器可使電機(jī)保持勻速旋 轉(zhuǎn)。要改變電機(jī)速度，可以調(diào)節(jié)施加的電壓。要在不改變電源電壓的前提下控制電機(jī)速度，則可以采用脈寬調(diào)制 (PWM)。

5 控制模型的建立

使用梯形方法設(shè)計(jì) BLDC 電機(jī)控制器的電機(jī)控制工程師需要執(zhí)行下列任務(wù)：

1） 開發(fā)控制器架構(gòu)，其中包含用于電流/電壓內(nèi)環(huán)的 PI 控制器

2） 為可選的轉(zhuǎn)速外環(huán)和位置外環(huán)開發(fā) PI 控制器

3） 調(diào)節(jié)所有 PI 控制器的增益以滿足性能要求

4） 設(shè)計(jì) SVM 控制

5） 設(shè)計(jì)故障檢測(cè)和保護(hù)邏輯

6） 驗(yàn)證和確認(rèn)控制器在不同工況下的性能

7） 在微控制器上實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)或浮點(diǎn)控制器

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