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無刷直流電機(jī)(BLDC)及其主流驅(qū)動(dòng)方式
發(fā)布時(shí)間：2024-06-05 18:08:35 瀏覽：296次
一、概述
1.1 BLDC及其組成
無刷直流電機(jī)采用電子換向器替代了傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換向裝置，從而克服了電刷和換向器所引起的噪聲、火花、電磁干擾、壽命短等一系列弊病。這種類型的電機(jī)既具備交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具有直流電機(jī)的運(yùn)行效率高、無勵(lì)磁損耗以及調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，典型應(yīng)用包括但不限于：家用電器、電動(dòng)工具、電動(dòng)自行車、電動(dòng)摩托車、電動(dòng)平衡車等領(lǐng)域。
圖1-1 無刷直流電機(jī)的組成
無刷直流電機(jī)的組成如圖1-1所示，主要包括電機(jī)本體、位置傳感器和電子開關(guān)線路。
●電機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電機(jī)相似；
●電子開關(guān)線路由功率邏輯開關(guān)單元(如IGBT、MOS管等)和位置傳感器信號(hào)處理單元兩部分組成；
●電子開關(guān)線路導(dǎo)通順序與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步，起機(jī)械換向器的換向作用。
1.2 BLDC的工作原理
圖1-2 BLDC的控制原理簡(jiǎn)圖
無刷直流電機(jī)的控制簡(jiǎn)圖如圖1-2所示，主電路是一個(gè)典型的電壓型交-直-交電路，逆變器提供等幅等頻5-24KHz調(diào)制波的對(duì)稱交變矩形波。
永磁體N-S交替交換，使位置傳感器產(chǎn)生相位差120?的H3、H2、H1方波，從而產(chǎn)生有效的六狀態(tài)編碼信號(hào)：010、011、001、101、100、110，通過邏輯組件處理產(chǎn)生V6-V1導(dǎo)通、V5-V6導(dǎo)通、V4-V5導(dǎo)通、V3-V4導(dǎo)通、V2-V3導(dǎo)通、V1-V2導(dǎo)通，也就是說將直流母線電壓依次加在U->V、W->V、W->U、V->U、V->W、U->W上，這樣轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對(duì)N-S極，V1、V2、V3、V4、V5、V6各功率管即按固定組合成六種狀態(tài)依次導(dǎo)通，如圖1-3所示。
圖1-3 兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)時(shí)繞組和MOS管導(dǎo)通順序表
每種狀態(tài)下，僅有兩相繞組通電，依次改變一種狀態(tài)，定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)軸線在空間轉(zhuǎn)動(dòng)60?電角度，轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)相當(dāng)于60?電角度空間位置，轉(zhuǎn)子在新位置上，使位置傳感器U、V、W按約定產(chǎn)生一組新編碼，新的編碼又改變了功率管的導(dǎo)通組合，使定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)軸再前進(jìn)60?電角度。如此循環(huán)，無刷直流電動(dòng)機(jī)將產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，拖動(dòng)負(fù)載作連續(xù)旋轉(zhuǎn)。
二、BLDC的主流驅(qū)動(dòng)方式
目前，BLDC主要有三種驅(qū)動(dòng)方式：方波控制(也稱為梯形波控制、120°控制或6步換向控制)、正弦波控制和FOC控制(又稱為矢量變頻、磁場(chǎng)矢量定向控制)。
2.1 方波控制
圖2-1 方波6步換向控制基本原理
基本原理(見圖2-1)：
●使用霍爾傳感器或者無感估算算法獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置；
●根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置在360°的電氣周期內(nèi)，進(jìn)行6次換向每60°換向一次；
●每個(gè)換向位置電機(jī)輸出特定方向的力；
●電機(jī)的相電流波形接近方波，所以稱為方波控制。
優(yōu)點(diǎn)：控制算法簡(jiǎn)單、硬件成本較低，使用性能普通的控制器便能獲得較高的電機(jī)轉(zhuǎn)速；
缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大、存在一定的電流噪聲、效率達(dá)不到最大值。
應(yīng)用場(chǎng)景：適用于對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)性能要求不高的場(chǎng)合。
2.2 正弦波控制
圖2-2 BLDC正弦波控制基本原理
其基本原理如圖2-2所示，具體表述如下：
●對(duì)電機(jī)繞組施加SVPWM波，輸出3相正弦波電壓；
●電機(jī)繞組產(chǎn)生正弦波電流；
●控制正弦波電流的幅值和相位，以達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的；
●沒有方波控制換向的概念，可認(rèn)為一個(gè)電氣周期內(nèi)進(jìn)行了無限多次的換向。
優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較小，電流諧波少，無換向電流突變，電機(jī)運(yùn)行噪聲小；
缺點(diǎn)：對(duì)控制器的性能要求較高，電機(jī)效率不能發(fā)揮到最大值。
應(yīng)用場(chǎng)景：對(duì)電機(jī)運(yùn)行噪聲要求較高的場(chǎng)合。
2.3 FOC控制
FOC控制方式可以認(rèn)為是正弦波控制的升級(jí)版本，實(shí)現(xiàn)了電流矢量的控制，亦即實(shí)現(xiàn)了電機(jī)定子磁場(chǎng)的矢量控制。
圖2-3 FOC控制的基本原理
其基本原理如圖2-3所示，具體表述如下：
●將正弦波定子電流分解成與磁場(chǎng)平行的磁場(chǎng)分量電流和與磁場(chǎng)垂直的轉(zhuǎn)矩分分量電流；
●對(duì)兩種電流分別進(jìn)行控制；
實(shí)現(xiàn)磁通電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量的完全解耦。
優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小、效率高、噪聲小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；
缺點(diǎn)：硬件成本較高、對(duì)控制器性能有較高要求，電機(jī)參數(shù)需匹配。
三、哪種方式更適合未來的發(fā)展？
FOC是目前無刷直流電機(jī)(BLDC)高效控制的最佳選擇，它能夠精確地控制磁場(chǎng)的大小與方向，使得電機(jī)轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)、噪聲小、效率高，并且具有高速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。目前已在很多應(yīng)用上逐步替代傳統(tǒng)的控制方式，在運(yùn)動(dòng)控制行業(yè)中備受矚目。
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