無刷直流電機(jī)(BLDC)及其主流驅(qū)動方式
發(fā)布日期:2024-06-05
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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、電動工具、電動自行車、電動摩托車、電動平衡車等領(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的控制原理簡圖
無刷直流電機(jī)的控制簡圖如圖1-2所示，主電路是一個典型的電壓型交-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：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)生的磁場軸線在空間轉(zhuǎn)動60?電角度，轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場轉(zhuǎn)動相當(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)生的磁場軸再前進(jìn)60?電角度。如此循環(huán)，無刷直流電動機(jī)將產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，拖動負(fù)載作連續(xù)旋轉(zhuǎn)。
二、BLDC的主流驅(qū)動方式
目前，BLDC主要有三種驅(qū)動方式：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)矩波動大、存在一定的電流噪聲、效率達(dá)不到最大值。
應(yīng)用場景：適用于對電機(jī)轉(zhuǎn)動性能要求不高的場合。
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)矩波動較小，電流諧波少，無換向電流突變，電機(jī)運(yùn)行噪聲??；
缺點(diǎn)：對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)用場景：對電機(jī)運(yùn)行噪聲要求較高的場合。
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平行的磁場分量電流和與磁場垂直的轉(zhuǎn)矩分分量電流；
●對兩種電流分別進(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)矩波動小、效率高、噪聲小、動態(tài)響應(yīng)快；
缺點(diǎn)：硬件成本較高、對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)動控制行業(yè)中備受矚目。
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