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(jià)值以及可用于優(yōu)化其設(shè)計(jì)的選擇。

與傳統(tǒng)的有刷直流電機(jī)相比，BLDC 電機(jī)更小、更輕、更安靜，同時(shí)還能提高消費(fèi)、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(jī)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(jì)和維護(hù)。

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(xiàng)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(lì)磁方式依次為三個(gè)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(gè)繞組的六個(gè)脈沖，以執(zhí)行一次旋轉(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。但是，轉(zhuǎn)子上的力并不完全沿切向，這對(duì)于確保連續(xù)最大扭矩來說是理想的。電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)周期性的徑向分量，這會(huì)降低效率并導(dǎo)致磨損、發(fā)熱和所謂的“扭矩波動(dòng)”。

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(lì)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(shí)際上，繞組電感和反電動(dòng)勢(shì)等效應(yīng)會(huì)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(dòng)態(tài)校正定子磁場幅度和方向，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用所要求的扭矩和速度。該算法根據(jù)瞬時(shí)測量的轉(zhuǎn)子位置計(jì)算最佳繞組電流。

磁場定向控制可實(shí)現(xiàn)扭矩最大化

原則上，F(xiàn)OC 控制交流勵(lì)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(dòng)，提高效率，并通過消除軸承上的徑向載荷將機(jī)械磨損降至最低。

定子繞組電流以及由此產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度和方向可以表示為三個(gè)旋轉(zhuǎn)矢量，它們?cè)谝粋€(gè)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(dòng)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(shí)現(xiàn)這種平衡，首先應(yīng)用“Clarke”變換。這將電流簡化為兩個(gè)幅度為Iα和Iβ的旋轉(zhuǎn)矢量，它們?cè)陟o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(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)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(jìn)行脈沖寬度調(diào)制，以驅(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)行優(yōu)化，并且嚴(yán)重依賴于實(shí)際電機(jī)參數(shù)，特別是繞組電阻和電感。但是，先進(jìn)的 FOC 控制器(例如Qorvo [1] 的控制器)具有自動(dòng)調(diào)諧功能，可以“學(xué)習(xí)”所連接電機(jī)的特性。圖 2 顯示了使用 FOC 的 BLDC 電機(jī)控制器的輪廓。

圖 2.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音或振動(dòng)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(shí)以高于標(biāo)稱速度的速度運(yùn)行。這是通過“磁場減弱”實(shí)現(xiàn)的，其中通過控制電流I D降低到負(fù)值來故意降低反電動(dòng)勢(shì)。這降低了有效轉(zhuǎn)子磁場并允許更高的速度，盡管扭矩會(huì)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(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，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)刻都處于不通電狀態(tài)，而存在的反電動(dòng)勢(shì)的零交叉可準(zhǔn)確指示位置。然后，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轉(zhuǎn)子位置可以在高負(fù)載條件下啟動(dòng)并實(shí)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(gè)傳感電阻同時(shí)對(duì)三個(gè)繞組電流進(jìn)行采樣，每個(gè)電阻都連接到一個(gè) ADC。通常的方法是測量逆變器支路電流(圖 3，左)。

對(duì)于成本敏感的應(yīng)用，可以使用單個(gè)分流電阻器來有效測量直流鏈路電流(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)間對(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)間小于最小測量周期，則振鈴等效應(yīng)可能會(huì)影響準(zhǔn)確性。非對(duì)稱電流采樣可以克服這個(gè)問題，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 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、模擬感應(yīng)、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(gè)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(dòng)低功耗 BLDC 電機(jī)，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(jìn)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(dòng)和磁場削弱，以實(shí)現(xiàn)高于標(biāo)稱速度的運(yùn)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(jī)應(yīng)用時(shí)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(dòng)態(tài)響應(yīng)和最小的扭矩波動(dòng)，現(xiàn)在可以使用單芯片控制 IC 來實(shí)現(xiàn)。