無(wú)刷直流電機(jī)方波、正弦波、FOC控制
發(fā)布日期:2024-05-02
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一、簡(jiǎn)介
無(wú)刷直流電機(jī)是在有刷直流電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，具有無(wú)極調(diào)速、調(diào)速規(guī)模廣、過載能力強(qiáng)、線性度好、壽命長(zhǎng)、體積小、重量輕、出力大等長(zhǎng)處，處理了有刷電機(jī)存在的一系列問題，廣泛使用于工業(yè)設(shè)備、儀器儀表、家用電器、機(jī)器人、醫(yī)療設(shè)備等各個(gè)領(lǐng)域。因?yàn)闊o(wú)刷電機(jī)沒有電刷進(jìn)行主動(dòng)換向，因而需求運(yùn)用電子換向器進(jìn)行換向。無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器完成的便是這個(gè)電子換向器的功用。
二、主流的無(wú)刷直流電機(jī)的控制方法
目前主要有三種：FOC（又稱為矢量控制、磁場(chǎng)定向控制）、方波控制（也稱為梯形波控制、120°控制、六步換向控制）和電壓正弦波控制。那么這3種控制方法都各有什么優(yōu)缺陷呢？
1. 方波控制
方波控制運(yùn)用霍爾傳感器或者無(wú)感估算算法取得電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，然后依據(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)換向方位電機(jī)輸出特定方向的力，因而可以說方波控制的位置精度是電氣60°。因?yàn)樵谶@種方法控制下，電機(jī)的相電流波形接近方波，所以稱為方波控制。
方波控制方法的長(zhǎng)處是控制算法簡(jiǎn)單、硬件成本較低，運(yùn)用功能普通的控制器便能取得較高的電機(jī)轉(zhuǎn)速；缺陷是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大、存在必定的電流噪聲、功率達(dá)不到最大值。方波操控適用于對(duì)電機(jī)滾動(dòng)功能要求不高的場(chǎng)合。如下圖一所示為方波控制的電流波形：
2. 一般正弦波控制
一般正弦波控制方法運(yùn)用的是SVPWM波，輸出的是3相正弦波電壓，理論上相應(yīng)的電流也是正弦波電流，但是因?yàn)闆]有對(duì)電流進(jìn)行控制，所以電流波形并不一定是真正的正弦波。這種方法沒有方波控制換向的概念，或許以為一個(gè)電氣周期內(nèi)進(jìn)行了無(wú)限多次的換向。顯然，一般正弦波控制比較方波控制，其轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小，電流諧波少，控制起來感覺比較“細(xì)膩”，可是對(duì)控制器的功能要求稍高于方波控制，而且電機(jī)功率不能發(fā)揮到最大值。如下圖二所示為一般正弦控制時(shí)對(duì)應(yīng)的電流波形及調(diào)制波波形(馬鞍波)。
3. FOC控制
正弦波控制完成了電壓矢量的控制，可是無(wú)法控制電流的方向。FOC控制方法可以認(rèn)為是正弦波控制的升級(jí)版別，完成了電流矢量的控制，也即完成了電機(jī)定子磁場(chǎng)的矢量控制。
因?yàn)榭刂屏穗姍C(jī)定子磁場(chǎng)的方向，所以可以使電機(jī)定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)時(shí)間保持在90°，完成必定電流下的最大轉(zhuǎn)矩輸出。FOC控制方法的長(zhǎng)處是：轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、功率高、噪聲小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；缺陷是：硬件成本較高、對(duì)控制器功能有較高要求，電機(jī)參數(shù)需匹配。下圖三所示為FOC控制時(shí)電機(jī)的相電流波形。
圖三：FOC控制時(shí)，電機(jī)相電流波形
三、哪種方法更適合未來的發(fā)展？
FOC是現(xiàn)在無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）和永磁同步電機(jī)（PMSM）高效控制的最佳選擇。FOC精確地控制磁場(chǎng)方向，使得電機(jī)轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)、噪聲小、功率高，而且具有高速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。因?yàn)镕OC的優(yōu)勢(shì)顯著，現(xiàn)在已在許多使用上逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的控制方法，在運(yùn)動(dòng)控制職業(yè)中備受矚目，例如伺服控制領(lǐng)域。
FOC典型控制框圖如下圖四所示。為了得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流等信息作為反應(yīng)，首先需求收集電機(jī)相電流，對(duì)其進(jìn)行一系列的數(shù)學(xué)變換和預(yù)算算法后得到解耦了的易用控制的反應(yīng)量。然后，依據(jù)反應(yīng)量與目標(biāo)值的誤差進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，最終輸出3相正弦波驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖四：無(wú)傳感器FOC矢量控制框圖
FOC依照電機(jī)有無(wú)傳感器來區(qū)分可以分為有傳感器FOC和無(wú)傳感器FOC。
關(guān)于有傳感器FOC，因?yàn)殡姍C(jī)的傳感器（一般為霍爾傳感器或編碼器等）能反應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息，因而在控制中可以不運(yùn)用位置估算算法，控制起來相對(duì)無(wú)傳感器FOC簡(jiǎn)單，可是對(duì)帶傳感器的電機(jī)使用來說，往往對(duì)控制功能要求較高。
關(guān)于無(wú)傳感器FOC，因?yàn)殡姍C(jī)不帶任何傳感器，因而不能通過簡(jiǎn)單讀取傳感器的測(cè)量值來得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息，所以在控制中需求通過收集電機(jī)相電流，運(yùn)用位置估算算法來獲取轉(zhuǎn)子位置。雖然無(wú)感FOC的控制難度較大，可是它可以防止傳感器損壞的危險(xiǎn)，而且省去了傳感器的本錢，一起簡(jiǎn)化了電機(jī)與驅(qū)動(dòng)板之間的布線?，F(xiàn)在，無(wú)感FOC多使用在風(fēng)機(jī)、水泵類的場(chǎng)合中。
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