无刷直流电机的控制算法

广州周立功单片机科技有限公司ZLG 精选微信文章分享TN01010101V0.00Date:2016/08/01无刷直流电机的控制算法
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内容关键词电机控制FOC 矢量变频
摘要无刷电机相比有刷电机控制起来比较复杂。

可分为有感和无感控制，无论是哪种
控制方式，目的都是为了获取转子的位置，然后精确换向，这样才能保证电机达
到较高转速，且能保证了无刷电机起动的可靠性。

Technical Note
无刷直流电机的控制算法
摘要：无刷电机相比有刷电机控制起来比较复杂。

可分为有感和无感控制，无论是哪种控制方式，目的都是为了获取转子的位置，然后精确换向，这样才能保证电机达到较高转速，且能保证了无刷电机起动的可靠性
推送目的：介绍无刷直流电机控制技术。

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关键字：电机控制FOC矢量变频
正文：
图1封面图（三相直流无刷电机）
无刷电机相比有刷电机控制起来比较复杂。

可分为有感和无感控制，无论是哪种控制方式，目的都是为了获取转子的位置，然后精确换向，这样才能保证电机达到较高转速，且能保证了无刷电机起动的可靠性。

关键词电机控制FOC矢量变频
概述
随着电力电子技术、微处理器以及现代控制理论的发展，无刷直流电机控制方案也逐渐用电子换相和复杂的控制算法代替机械电刷和换相器控制的方案，先进的控制方案既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电动机的运行效率高、调速性能好等诸多优点，同时克服了有刷直流电机由机械电刷带来的噪声、火花、无线电干扰以及寿命短的弊病。

下面就让我们介绍常用无刷直流电机控制方法。

1.控制算法
许多不同的控制算法都被用以提供对于BLDC电机的控制。

典型地，将功率晶体管用作线性稳压器来控制电机电压。

当驱动高功率电机时，这种方法并不实用。

高功率电机必须采用PWM控制，并要求一个微控制器来提供起动和控制功能。

控制算法必须提供下列三项功能：
∙用于控制电机速度的PWM电压；
∙用于对电机进整流换向的机制；
∙利用反电动势或霍尔传感器来预测转子位置的方法。

脉冲宽度调制仅用于将可变电压应用到电机绕组。

有效电压与PWM占空度成正比。

当得到适当的整流换向时，BLDC的扭矩速度特性与一下直流电机相同。

可以用可变电压来控制电机的速度和可变转矩。

功率晶体管的换向实现了定子中的适当绕组，可根据转子位置生成最佳的转矩。

在一个BLDC电机中，MCU必须知道转子的位置并能够在恰当的时间进行整流换向。

1.1BLDC电机的梯形整流换向
对于直流无刷电机的最简单的方法之一是采用所谓的梯形整流换向。

图1：用于BLDC电机的梯形控制器的简化框图
在这个原理图中，每一次要通过一对电机终端来控制电流，而第三个电机终端总是与电源电子性断开。

嵌入大电机中的三种霍尔器件用于提供数字信号，它们在60度的扇形区内测量转子位置，并在电机控制器上提供这些信息。

由于每次两个绕组上的电流量相等，而第三个绕组上的电流为零，这种方法仅能产生具有六个方向共中之一的电流空间矢量。

随着电机的转向，电机终端的电流在每转60度时，电开关一次（整流换向），因此电流空间矢量总是在90度相移的最接近30度的位置。

图2：梯形控制：驱动波形和整流处的转矩
因此每个绕组的电流波型为梯形，从零开始到正电流再到零然后再到负电流。

这就产生了电流空间矢量，当它随着转子的旋转在6个不同的方向上进行步升时，它将接近平衡旋转。

在像空调和冰霜这样的电机应用中，采用霍尔传感器并不是一个不变的选择。

在非联绕组中感应的反电动势传感器可以用来取得相同的结果。

这种梯形驱动系统因其控制电路的简易性而非常普通，但是它们在整流过程中却要遭遇转矩纹波问题。

2.AC电机控制算法
2.1标量控制
标量控制（或V/Hz控制）是一个控制指令电机速度的简单方法
指令电机的稳态模型主要用于获得技术，因此瞬态性能是不可能实现的。

系统不具有电流回路。

为了控制电机，三相电源只有在振幅和频率上变化。

2.2矢量控制或磁场定向控制
2.2.1磁场定向控制（FOC）有两种方法：
直接FOC:转子磁场的方向(Rotor flux angle)是通过磁通观测器直接计算得到的
间接FOC:转子磁场的方向(Rotor flux angle)是通过对转子速度和滑差(slip)的估算或测量而间接获得的。

矢量控制要求了解转子磁通的位置，并可以运用终端电流和电压（采用AC感应电机的动态模型）的知识，通过高级算法来计算。

然而从实现的角度看，对于计算资源的需求是至关重要的。

可以采用不同的方式来实现矢量控制算法。

前馈技术、模型估算和自适应控制技术都可用于增强响应和稳定性。

2.2.2AC电机的矢量控制：深入了解
矢量控制算法的核心是两个重要的转换:Clark转换，Park转换和它们的逆运算。

采用Clark和Park转换，带来可以控制到转子区域的转子电流。

这种做充许一个转子控制系统决定应供应到转子的电压，以使动态变化负载下的转矩最大化。

Clark转换：Clark数学转换将一个三相系统修改成两个坐标系统：
其中Ia和Ib正交基准面的组成部分，Io是不重要的homoplanar部分
图4：三相转子电流与转动参考系的关系
Park转换：Park数学转换将双向静态系统转换成转动系统矢量
两相α,β帧表示通过Clarke转换进行计算，然后输入到矢量转动模块，它在这里转动角θ，以符合附着于转子能量的d,q帧。

根据上述公式，实现了角度θ的转换。

2.3AC电机的磁场定向矢量控制的基本结构
图2显示了AC电机磁场定向矢量控制的基本结构。

Clarke变换采用三相电流IA,IB以及IC，来计算两相正交定子轴的电流I?和I?。

这两个在固定座标定子相中的电流被变换成Isd和Isq，成为Park变换d,q中的元素。

其通过电机通量模型来计算的电流Isd,Isq以及瞬时流量角θ被用来计算交流感应电机的电动扭矩。

图2：矢量控制交流电机的基本原理
这些导出值与参考值相互比较，并由PI控制器更新。

表1：电动机标量控制和矢量控制的比较：
控制参数V/Hz控制矢量控制无传感器矢量控制
速度调节1%0.001%0.05%
转矩调节Poor+/-2%+/-5%
电机模型不要求要求要求精确的模型
MCU处理
低高高+DSP 功率
基于矢量的电机控制的一个固有优势是，可以采用同一原理，选择适合的数学模型去分别控制各种类型的AC,PM-AC或者BLDC电机。

周立功单片机科技有限公司提供可靠的四轴飞行器电机驱动解决方案。

周立功单片机将多年积累的电机矢量变频控制技术（FOC）运用于无人机电调上，并形成一套完整的应用方案，包括硬件电路整体设计方案和软件设计方案。

并且也经过一系列的性能测试，证明了FOC的控制方式相比传统的方波控制方式，启动更加顺畅，转矩脉冲小，不存在运行噪音以及响应速度灵敏等优势。

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