電機控制之常用算法概述

BLDC電機控制算法

無刷電機屬于自換流型(自我方向轉換)，因此控制起來更加復雜。

BLDC電機控制要求了解電機進行整流轉向的轉子位置和機制。對于閉環速度控制，有兩個附加要求，即對于轉子速度/或電機電流以及PWM信號進行測量，以控制電機速度功率。

BLDC電機可以根據應用要求采用邊排列或中心排列PWM信號。大多數應用僅要求速度變化操作，將采用6個獨立的邊排列PWM信號。這就提供了最高的分辨率。如果應用要求服務器定位、能耗制動或動力倒轉，推薦使用補充的中心排列PWM信號。為了感應轉子位置，BLDC電機采用霍爾效應傳感器來提供絕對定位感應。這就導致了更多線的使用和更高的成本。無傳感器BLDC控制省去了對于霍爾傳感器的需要，而是采用電機的反電動勢（電動勢）來預測轉子位置。無傳感器控制對于像風扇和泵這樣的低成本變速應用至關重要。在采有BLDC電機時，冰箱和空調壓縮機也需要無傳感器控制。

空載時間的插入和補充

大多數BLDC電機不需要互補的PWM、空載時間插入或空載時間補償?？赡軙筮@些特性的BLDC應用僅為高性能BLDC伺服電動機、正弦波激勵式BLDC電機、無刷AC、或PC同步電機。

控制算法

許多不同的控制算法都被用以提供對于BLDC電機的控制。典型地，將功率晶體管用作線性穩壓器來控制電機電壓。當驅動高功率電機時，這種方法并不實用。高功率電機必須采用PWM控制，并要求一個微控制器來提供起動和控制功能。

控制算法必須提供下列三項功能：

· 用于控制電機速度的PWM電壓
· 用于對電機進整流換向的機制
· 利用反電動勢或霍爾傳感器來預測轉子位置的方法

脈沖寬度調制僅用于將可變電壓應用到電機繞組。有效電壓與PWM占空度成正比。當得到適當的整流換向時，BLDC的扭矩速度特性與一下直流電機相同?？梢杂每勺冸妷簛砜刂齐姍C的速度和可變轉矩。功率晶體管的換向實現了定子中的適當繞組，可根據轉子位置生成最佳的轉矩。在一個BLDC電機中，MCU必須知道轉子的位置并能夠在恰當的時間進行整流換向。

BLDC電機的梯形整流換向

對于直流無刷電機的最簡單的方法之一是采用所謂的梯形整流換向。

在這個原理圖中，每一次要通過一對電機終端來控制電流，而第三個電機終端總是與電源電子性斷開。

嵌入大電機中的三種霍爾器件用于提供數字信號，它們在60度的扇形區內測量轉子位置，并在電機控制器上提供這些信息。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，這種方法僅能產生具有六個方向共中之一的電流空間矢量。隨著電機的轉向，電機終端的電流在每轉60度時，電開關一次（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。

因此每個繞組的電流波型為梯形，從零開始到正電流再到零然后再到負電流。

這就產生了電流空間矢量，當它隨著轉子的旋轉在6個不同的方向上進行步升時，它將接近平衡旋轉。

在像空調和冰霜這樣的電機應用中，采用霍爾傳感器并不是一個不變的選擇。在非聯繞組中感應的反電動勢傳感器可以用來取得相同的結果。這種梯形驅動系統因其控制電路的簡易性而非常普通，但是它們在整流過程中卻要遭遇轉矩紋波問題。

BDLC電機的正弦整流換向

梯形整流換向還不足以為提供平衡、精準的無刷直流電機控制。這主要是因為在一個三相無刷電機（帶有一個正統波反電動勢）中所產生的轉矩由下列等式來定義：

轉軸轉矩= Kt [IR Sin(?) + IS Sin(?+120) + IT Sin(?+240)]

其中

? 為轉軸的電角度
Kt為電機的轉矩常數
IR、IS和IT為相位電流。

如果相位電流是正弦的: IR = I0Sin?; IS = I0Sin (+120?); IT = I0Sin (+240?)將得到

轉軸轉矩 = 1.5I0*Kt (一個獨立于轉軸角度的常數)

正弦整流換向無刷電機控制器努力驅動三個電機繞組，其三路電流隨著電機轉動而平穩的進行正弦變化。選擇這些電流的相關相位，這樣它們將會產生平穩的轉子電流空間矢量，方向是與轉子正交的方向，并具有不變量。這就消除了與北形轉向相關的轉矩紋波和轉向脈沖。