BLDC 電機(jī)比傳統(tǒng)有刷直流電機(jī)更小、更輕、更安靜，同時(shí)提高了消費(fèi)、工業(yè)、汽車和醫(yī)療應(yīng)用的可靠性和能效。它們的無(wú)刷結(jié)構(gòu)消除了機(jī)械磨損、導(dǎo)電灰塵、可聞噪音和電弧等問(wèn)題，從而簡(jiǎn)化了設(shè)備設(shè)計(jì)和維護(hù)。

從基本梯形控制到更平滑的正弦控制和磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 的控制策略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)磁順序?yàn)槿齻€(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)。該周期包括施加到每個(gè)繞組的六個(gè)脈沖以執(zhí)行一轉(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。然而，轉(zhuǎn)子上的力并非純粹沿切向方向，這對(duì)于確保連續(xù)的最大扭矩是理想的。電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)存在周期性徑向分量，這會(huì)降低效率并導(dǎo)致磨損、發(fā)熱和所謂的“扭矩脈動(dòng)”。

圖 1. BLDC 的六步正弦控制。

正弦和磁場(chǎng)定向控制

應(yīng)用正弦勵(lì)磁理論上可以產(chǎn)生一個(gè)始終垂直于轉(zhuǎn)子磁體磁場(chǎng)的平滑旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生一致的扭矩，如圖 1 右側(cè)所示。在實(shí)踐中，繞組電感和反電動(dòng)勢(shì)等影響會(huì)導(dǎo)致相位由此產(chǎn)生的電流和場(chǎng)的變化會(huì)阻止簡(jiǎn)單的正弦控制提供平滑和準(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)定向控制可最大化扭矩

原則上，F(xiàn)OC 控制交流勵(lì)磁電流，以保持所得磁場(chǎng)的角度始終垂直于轉(zhuǎn)子磁體的磁場(chǎng)。這樣可以產(chǎn)生最高的扭矩，消除扭矩脈動(dòng)，最大限度地提高效率，并通過(guò)消除軸承上的徑向載荷來(lái)最大限度地減少機(jī)械磨損。

定子繞組電流以及由此產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)和方向可以表示為在公共靜態(tài)坐標(biāo)系中相距 120 度的三個(gè)旋轉(zhuǎn)矢量。為了最大限度地減少扭矩脈動(dòng)并最大限度地提高效率，這些電流I U、IV和I W必須保持平衡，使其凈和為零。 FOC 旨在通過(guò)應(yīng)用“克拉克”變換來(lái)實(shí)現(xiàn)這種平衡。這將電流簡(jiǎn)化為兩個(gè)振幅為Iα和Iβ的旋轉(zhuǎn)矢量，在靜態(tài)坐標(biāo)系中相距 90 度：

將這些矢量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)參考平面中的靜態(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)態(tài)條件下，ID和I Q是恒定值，可以解釋為定子繞組電流的分量，分別代表切向和不需要的徑向扭矩。 FOC 使用這些值作為反饋環(huán)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通過(guò)逆 Park 和逆 Clarke 變換以及隨后的脈寬調(diào)制來(lái)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)行單獨(dú)優(yōu)化，并且在很大程度上取決于實(shí)際電機(jī)參數(shù)，特別是繞組電阻和電感。然而，先進(jìn)的 FOC 控制器具有自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，可以“學(xué)習(xí)”所連接電機(jī)的特性。使用 FOC 的 BLDC 電機(jī)控制器的概要如圖 2 所示。

圖 2. 用于驅(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聲或振動(dòng)或需要低諧波接觸的應(yīng)用。此外，F(xiàn)OC 還可以在需要時(shí)使應(yīng)用程序以高于標(biāo)稱速度的速度運(yùn)行。這是通過(guò)使用“弱磁”來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其中通過(guò)控制電流I D使其低于負(fù)值來(lái)有意降低反電動(dòng)勢(shì)。這減少了有效轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)并允許更高的速度，盡管扭矩降低了。

感測(cè)轉(zhuǎn)子位置和繞組電流

FOC 中必須知道轉(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。

有多種方法可用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置。無(wú)傳感器監(jiān)控根據(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，并且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)刻都處于斷電狀態(tài)，并且存在的反電動(dòng)勢(shì)的零交叉提供了位置的準(zhǔn)確指示。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)并進(jìn)行精確的扭矩控制。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多種。最準(zhǔn)確的方法是使用三個(gè)傳感電阻器同時(shí)采樣三個(gè)繞組電流，每個(gè)電阻器都連接到 ADC。通常的方法是測(cè)量逆變器橋臂電流(圖 3，左)。

單個(gè)分流電阻器可用于成本敏感的應(yīng)用，有效測(cè)量直流母線電流(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)機(jī)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，則精度可能會(huì)因振鈴等效應(yīng)而受到影響。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、模擬傳感、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)控制進(jìn)行優(yōu)化的片上系統(tǒng)設(shè)備(例如 Qorvo 的基于 Arm? Cortex? 的 PAC5xxx 系列)將此電路集成在單個(gè)封裝中。該系列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)，適用于手持設(shè)備和工具等應(yīng)用。這些電源應(yīng)用控制器? IC 支持本文討論的方法，包括無(wú)傳感器轉(zhuǎn)子位置測(cè)量或使用霍爾傳感器或正交編碼器進(jìn)行檢測(cè)以及單分流或三分流電流感應(yīng)。它們還允許混合梯形/FOC 模式，以確保啟動(dòng)和弱磁以在高于額定速度的情況下運(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，具有快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)和最小的扭矩紋波，現(xiàn)在可以使用單芯片控制 IC 來(lái)實(shí)現(xiàn)。