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

與傳統(tǒng)的有刷直流電機相比，BLDC 電機更小、更輕、更安靜，同時還能提高消費、工業(yè)、汽車和醫(yī)療應(yīng)用的可靠性和能源效率。其無刷結(jié)構(gòu)消除了機械磨損、導(dǎo)電灰塵、可聽噪聲和電弧等問題，簡化了設(shè)備設(shè)計和維護。

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定向控制 (FOC)，讓工程師可以選擇各種選項來平衡復(fù)雜性和成本與性能和可控性。

六步或梯形控制

使用簡單的“開關(guān)”勵磁方式依次為三個定子繞組通電，作用于轉(zhuǎn)子中永磁體的靜磁場，使其旋轉(zhuǎn)。該循環(huán)包括施加到每個繞組的六個脈沖，以執(zhí)行一次旋轉(zhuǎn)。波形相對容易生成，并產(chǎn)生梯形反電動勢，如圖1左側(cè)所示。但是，轉(zhuǎn)子上的力并不完全沿切向，這對于確保連續(xù)最大扭矩來說是理想的。電機旋轉(zhuǎn)時會出現(xiàn)周期性的徑向分量，這會降低效率并導(dǎo)致磨損、發(fā)熱和所謂的“扭矩波動”。

圖 1. BLDC 的六步正弦控制。

正弦和磁場定向控制

從理論上講，應(yīng)用正弦激勵可以產(chǎn)生平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)的磁場，該磁場始終垂直于轉(zhuǎn)子磁鐵的磁場，從而產(chǎn)生一致的扭矩，如圖 1 右側(cè)所示。實際上，繞組電感和反電動勢等效應(yīng)會導(dǎo)致產(chǎn)生的電流和磁場發(fā)生相移，從而阻止簡單的正弦控制提供平穩(wěn)而準(zhǔn)確的控制。

磁場定向控制 (FOC) 動態(tài)校正定子磁場幅度和方向，以實現(xiàn)應(yīng)用所要求的扭矩和速度。該算法根據(jù)瞬時測量的轉(zhuǎn)子位置計算最佳繞組電流。

磁場定向控制可實現(xiàn)扭矩最大化

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

定子繞組電流以及由此產(chǎn)生的磁場強度和方向可以表示為三個旋轉(zhuǎn)矢量，它們在一個共同的靜態(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 旨在實現(xiàn)這種平衡，首先應(yīng)用“Clarke”變換。這將電流簡化為兩個幅度為Iα和Iβ的旋轉(zhuǎn)矢量，它們在靜態(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 Park 逆變換和 Clarke 逆變換，隨后進行脈沖寬度調(diào)制，以驅(qū)動功率級，產(chǎn)生三個正弦定子繞組電流。PI 控制器中的可編程增益值 Kp 和 Ki 必須分別針對瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)精度進行優(yōu)化，并且嚴(yán)重依賴于實際電機參數(shù)，特別是繞組電阻和電感。但是，先進的 FOC 控制器(例如Qorvo [1] 的控制器)具有自動調(diào)諧功能，可以“學(xué)習(xí)”所連接電機的特性。圖 2 顯示了使用 FOC 的 BLDC 電機控制器的輪廓。

圖 2.驅(qū)動 BLDC 電機的 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)用在需要時以高于標(biāo)稱速度的速度運行。這是通過“磁場減弱”實現(xiàn)的，其中通過控制電流I D降低到負值來故意降低反電動勢。這降低了有效轉(zhuǎn)子磁場并允許更高的速度，盡管扭矩會降低。

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。還需要測量定子繞組電流。

有幾種方法可以檢測轉(zhuǎn)子位置。無傳感器監(jiān)控可根據(jù)繞組電流、反電動勢和電機特性模型推斷位置。然而，在高負載下啟動可能很困難，可能需要使用梯形驅(qū)動器啟動電機。在這種情況下，一個繞組在任何時刻都處于不通電狀態(tài)，而存在的反電動勢的零交叉可準(zhǔn)確指示位置。然后，當(dāng)電機運行時，應(yīng)用程序可以更改為正弦 FOC。

或者，使用霍爾傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置可以在高負載條件下啟動并實現(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量并可以感測旋轉(zhuǎn)方向。

此外，測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傳感電阻同時對三個繞組電流進行采樣，每個電阻都連接到一個 ADC。通常的方法是測量逆變器支路電流(圖 3，左)。

對于成本敏感的應(yīng)用，可以使用單個分流電阻器來有效測量直流鏈路電流(圖 3，右)。只需要一個 ADC，并使用單分流電流重構(gòu)方法計算相電流。電流采樣的時間對于捕獲準(zhǔn)確的平均值至關(guān)重要。如果有效矢量持續(xù)時間小于最小測量周期，則振鈴等效應(yīng)可能會影響準(zhǔn)確性。非對稱電流采樣可以克服這個問題，但需要更復(fù)雜的計算。

圖 3. 使用三分流器(左)和單分流器(右)方法監(jiān)測 BLDC 電機電流。

實施 BLDC FOC

完整的電機控制應(yīng)用需要電源管理、模擬感應(yīng)、PWM 生成、柵極驅(qū)動功能以及負責(zé)執(zhí)行 FOC 算法的處理核心。針對電機控制優(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)動低功耗 BLDC 電機，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行無傳感器轉(zhuǎn)子位置測量或檢測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，以確保啟動和磁場削弱，以實現(xiàn)高于標(biāo)稱速度的運行。

結(jié)論

了解梯形、正弦和磁場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發(fā) BLDC 電機應(yīng)用時選擇正確的控制策略。磁場定向控制可以提供精確的速度控制、快速的動態(tài)響應(yīng)和最小的扭矩波動，現(xiàn)在可以使用單芯片控制 IC 來實現(xiàn)。