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浅谈直流无刷电机方波、正弦波、FOC控制

时间:12-20 18:13 点击:156

直流无刷电机是随着半导体电子技术发展而出现的新型机电一体化电机,它是现代电子技术(包括电力电子、微电子技术)、控制理论和电机技术相结合的产物。具有控制性能好、调速范围宽、起动转矩大、低速性能好、运行平稳、效率高、低功耗等优点。广泛应用于工业设备、仪器仪表、家用电器、机器人、医疗设备、民用设备等各个领域。

 直流无刷电机

主流的直流无刷电机的控制方式

 

目前主要有三种:FOC(又称为矢量变频、磁场矢量定向控制)、方波控制(也称为梯形波控制、120°控制、6步换向控制)和正弦波控制。那么这3种控制方式都各有什么优缺点呢?

 

方波控制

 

方波控制使用霍尔传感器或者无感估算算法获得电机转子的位置,然后根据转子的位置在360°的电气周期内,进行6次换向(每60°换向一次)。每个换向位置电机输出特定方向的力,因此可以说方波控制的位置精度是电气60°。由于在这种方式控制下,电机的相电流波形接近方波,所以称为方波控制。

 

方波控制方式的优点是控制算法简单、硬件成本较低,使用性能普通的控制器便能获得较高的电机转速;缺点是转矩波动大、存在一定的电流噪声、效率达不到最大值。方波控制适用于对电机转动性能要求不高的场合。

 

正弦波控制

 

正弦波控制方式使用的是SVPWM波,输出的是3相正弦波电压,相应的电流也是正弦波电流。这种方式没有方波控制换向的概念,或者认为一个电气周期内进行了无限多次的换向。显然,正弦波控制相比方波控制,其转矩波动较小,电流谐波少,控制起来感觉比较“细腻”,但是对控制器的性能要求稍高于方波控制,而且电机效率不能发挥到最大值。

 

FOC控制

 

正弦波控制实现了电压矢量的控制,间接实现了电流大小的控制,但是无法控制电流的方向。FOC控制方式可以认为是正弦波控制的升级版本,实现了电流矢量的控制,也即实现了电机定子磁场的矢量控制。

 

由于控制了电机定子磁场的方向,所以可以使电机定子磁场与转子磁场时刻保持在90°,实现一定电流下的最大转矩输出。FOC控制方式的优点是:转矩波动小、效率高、噪声小、动态响应快;缺点是:硬件成本较高、对控制器性能有较高要求,电机参数需匹配。

 

哪种方式更适合未来的发展?

 

FOC是目前直流无刷电机和永磁同步电机高效控制的最佳选择。FOC精确地控制磁场大小与方向,使得电机转矩平稳、噪声小、效率高,并且具有高速的动态响应。由于FOC的优势明显,目前已在很多应用上逐步替代传统的控制方式,在运动控制行业中备受瞩目。

 

为了得到电机转子的位置、电机转速、电流大小等信息作为反馈,首先需要采集电机相电流,对其进行一系列的数学变换和估算算法后得到解耦了的易用控制的反馈量。然后,根据反馈量与目标值的误差进行动态调节,最终输出3相正弦波驱动电机转动。


 直流无刷电机FOC


FOC按照电机有无传感器来区分可以分为有传感器FOC和无传感器FOC。

 

对于有传感器FOC,由于电机的传感器(一般为编码器)能反馈电机转子的位置信息,因此在控制中可以不使用位置估算算法,控制起来相对无传感器FOC简单,但是对带传感器的电机应用来说,往往对控制性能要求较高。

 

对于无传感器FOC,由于电机不带任何传感器,因此不能通过简单读取传感器的测量值来得到电机转子的位置信息,所以在控制中需要通过采集电机相电流,使用位置估算算法来计算转子位置。虽然无感FOC的控制难度较大,但是它可以避免传感器故障的风险,并且省去了传感器的成本,同时简化了电机与驱动板间的布线。目前,无感FOC多应用在风机类的场合中。


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