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淺析無刷直流電機FOC、方波、正弦波控制!

發布者:長春三峰光電儀器制造有限公司2019-09-10

無刷直流電機是在有刷直流電動機的基礎上發展來的,具有無極調速、調速范圍廣、過載能力強、線性度好、壽命長、體積小、重量輕、出力大等優點,解決了有刷電機存在的一系列問題,廣泛應用于工業設備、儀器儀表、家用電器、機器人、醫療設備等各個領域。由于無刷電機沒有電刷進行自動換向,因此需要使用電子換向器進行換向。無刷直流電機驅動器實現的就是這個電子換向器的功能。

主流的無刷直流電機的控制方式

目前主要有三種:FOC(又稱為矢量變頻、磁場矢量定向控制)、方波控制(也稱為梯形波控制、120°控制、6步換向控制)和正弦波控制。那么這3種控制方式都各有什么優缺點呢?

方波控制

方波控制使用霍爾傳感器或者無感估算算法獲得電機轉子的位置,然后根據轉子的位置在360°的電氣周期內,進行6次換向(每60°換向一次)。每個換向位置電機輸出特定方向的力,因此可以說方波控制的位置精度是電氣60°。由于在這種方式控制下,電機的相電流波形接近方波,所以稱為方波控制。

方波控制方式的優點是控制算法簡單、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轉速;缺點是轉矩波動大、存在一定的電流噪聲、效率達不到最大值。方波控制適用于對電機轉動性能要求不高的場合。

正弦波控制

正弦波控制方式使用的是SVPWM波,輸出的是3相正弦波電壓,相應的電流也是正弦波電流。這種方式沒有方波控制換向的概念,或者認為一個電氣周期內進行了無限多次的換向。顯然,正弦波控制相比方波控制,其轉矩波動較小,電流諧波少,控制起來感覺比較“細膩”,但是對控制器的性能要求稍高于方波控制,而且電機效率不能發揮到最大值。

FOC控制

正弦波控制實現了電壓矢量的控制,間接實現了電流大小的控制,但是無法控制電流的方向。FOC控制方式可以認為是正弦波控制的升級版本,實現了電流矢量的控制,也即實現了電機定子磁場的矢量控制。

由于控制了電機定子磁場的方向,所以可以使電機定子磁場與轉子磁場時刻保持在90°,實現一定電流下的最大轉矩輸出。FOC控制方式的優點是:轉矩波動小、效率高、噪聲小、動態響應快;缺點是:硬件成本較高、對控制器性能有較高要求,電機參數需匹配。

哪種方式更適合未來的發展?

FOC是目前無刷直流電機(BLDC)和永磁同步電機(PMSM)高效控制的最佳選擇。FOC精確地控制磁場大小與方向,使得電機轉矩平穩、噪聲小、效率高,并且具有高速的動態響應。由于FOC的優勢明顯,目前已在很多應用上逐步替代傳統的控制方式,在運動控制行業中備受矚目。

FOC典型控制框圖如下。為了得到電機轉子的位置、電機轉速、電流大小等信息作為反饋,首先需要采集電機相電流,對其進行一系列的數學變換和估算算法后得到解耦了的易用控制的反饋量。然后,根據反饋量與目標值的誤差進行動態調節,最終輸出3相正弦波驅動電機轉動。

FOC按照電機有無傳感器來區分可以分為有傳感器FOC和無傳感器FOC。

對于有傳感器FOC,由于電機的傳感器(一般為編碼器)能反饋電機轉子的位置信息,因此在控制中可以不使用位置估算算法,控制起來相對無傳感器FOC簡單,但是對帶傳感器的電機應用來說,往往對控制性能要求較高。

對于無傳感器FOC,由于電機不帶任何傳感器,因此不能通過簡單讀取傳感器的測量值來得到電機轉子的位置信息,所以在控制中需要通過采集電機相電流,使用位置估算算法來計算轉子位置。雖然無感FOC的控制難度較大,但是它可以避免傳感器故障的風險,并且省去了傳感器的成本,同時簡化了電機與驅動板間的布線。目前,無感FOC多應用在風機類的場合中。


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