直流無刷電機(jī)的正弦波控制介紹

直流無刷電機(jī)的正弦波控制即通過對(duì)電機(jī)繞組施加一定的電壓，使電機(jī)繞組中產(chǎn)生正弦電流，通過控制正弦電流的幅值及相位達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。與傳統(tǒng)的方波控制相比，電機(jī)相電流為正弦，且連續(xù)變化，無換相電流突變，因此電機(jī)運(yùn)行噪聲低。

根據(jù)控制的復(fù)雜程度，直流無刷電機(jī)的正弦波控制可分為：簡易正弦波控制與復(fù)雜正弦波控制。

01

簡易正弦波控制

對(duì)電機(jī)繞組施加一定的電壓，使電機(jī)相電壓為正弦波，由于電機(jī)繞組為感性負(fù)載，因此電機(jī)相電流也為正弦波。通過控制電機(jī)相電壓的幅值以及相位來控制電流的相位以及幅值，為電壓環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)較為簡單。

02

復(fù)雜正弦波控制

與簡易正弦波控制不同，復(fù)雜的正弦控制目標(biāo)為電機(jī)相電流，建立電流環(huán)，通過直接控制相電流的相位與幅值達(dá)到控制電機(jī)的目的。由于電機(jī)相電流為正弦信號(hào)，因此需要進(jìn)行電流的解耦操作，較為復(fù)雜，常見的為磁場定向控制（FOC）及直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）等。

下面介紹簡易正弦波控制的原理及其實(shí)現(xiàn)。

簡易正弦波控制原理

簡易正弦波控制即通過控制電機(jī)正弦相電壓的幅值以及相位達(dá)到控制電機(jī)電流的目的。通常通過在電機(jī)端線施加一定形式的電壓來使繞組兩端產(chǎn)生正弦相電壓。常見的生成方式為：正弦PWM以及空間矢量PWM。由于正弦PWM原理簡單且便于實(shí)現(xiàn)，因此簡易正弦波控制中通常采用其作為PWM生成方式。圖1為BLDC控制結(jié)構(gòu)圖，其中Ux、Uy、Uz為橋臂電壓，Ua、Ub、Uc為電機(jī)繞組的相電壓，以下對(duì)于不同種類的PWM調(diào)制方式的介紹將基于此結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行。

圖1 直流無刷電機(jī)控制框圖

Part 1

三相正弦調(diào)制PWM

三相SPWM為最常見的正弦PWM生成方式，即對(duì)電機(jī)三個(gè)端線施加相位相差120度的正弦電壓信號(hào)，由于中性點(diǎn)為0，因此電機(jī)相電壓也為正弦，且相位與施加的正弦電壓相同。如圖2所示。

圖2 三相調(diào)制SPWM端線電壓

Part 2

開關(guān)損耗最小正弦PWM

與常見的SPWM不同，采用開關(guān)損耗最小正弦PWM時(shí)，施加在電機(jī)端線上電壓Ua、 Ub、Uc并非正弦波電壓，此時(shí)電機(jī)中心點(diǎn)電壓并非為0，但是電機(jī)相電壓仍然為正弦。因此此類控制方式為線電壓控制。

其中Ux、Uy、Uz為電機(jī)端線電壓，Ua、Ub、Uc為電機(jī)相電壓，可見相電壓相位差為120度。Ux、Uy、Uz與Ua、Ub、Uc的關(guān)系如下：

合并后，Ux，Uy，Uz如下：

可見采用開關(guān)損耗最小正弦PWM時(shí)，Ux，Uy，Uz相位差120度，且為分段函數(shù)形式，并非正弦電壓，而電機(jī)相電壓Ua、Ub、Uc仍然為正弦電壓。且在120度區(qū)內(nèi)端線電壓為0，即對(duì)應(yīng)的開關(guān)管常開或常關(guān)。因此與三相正弦PWM相比，開關(guān)損耗減少1/3。

通過控制Ux，Uy，Uz的相位以及幅值即可以控制Ux，Uy，Uz，實(shí)現(xiàn)控制電流的目的。

Part 3

空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）

與SPWM不同，SVPWM施加在電機(jī)端線上電壓并非等效正弦波電壓，此時(shí)電機(jī)中心點(diǎn)電壓并非為0，但電機(jī)相電壓仍然為等效正弦，從而使得電機(jī)相線電流也成正弦變化規(guī)則。

三相全橋逆變器共8種開關(guān)模式，分別對(duì)應(yīng)八個(gè)基本電壓空間矢量U0~U7，U0和U7為零矢量，位于原點(diǎn)。其余6個(gè)非零矢量幅值相同，相鄰矢量間隔60°。根據(jù)非零矢量所在位置將空間劃分為六個(gè)扇區(qū)?？臻g矢量脈寬調(diào)制就是利用U0~U7的不同組合，組成幅值相同、相位不同的參考電壓矢量Uref，從而使矢量軌跡盡可能逼近基準(zhǔn)圓。

圖3 基本空間矢量在空間的分布

圖4為參考電壓在第一扇區(qū)，有兩個(gè)非零矢量U1U2和零矢量合成，當(dāng)參考電壓進(jìn)入下一個(gè)扇區(qū)，采用新的相鄰兩個(gè)矢量與零矢量進(jìn)行合成?；谑噶亢铣梢?guī)則，在符合T1+T2 《= Tpwm條件下，并要求任意角度下V1和V2都能合成出的矢量，所以Uref_max=√3/2 Udc。調(diào)制度M=Uref/（Uref_max）=Uref/（√3/2 Udc）。

圖4 參考電壓在第一扇區(qū)矢量合成方法

由三角正弦定理可知：

θ角度的推算和前面SPWM里的方法是一樣的。為了減少三角函數(shù)計(jì)算同樣采用代碼內(nèi)置Sin三角函數(shù)表為了獲得最佳的諧波性能和最小開關(guān)損耗，目前主要有7段式和5段式空間矢量合成方法。

對(duì)比7段式和5段式可知，兩者在零矢量的分配上存在很大的區(qū)別，單個(gè)PWM周期內(nèi)，5段式方法將零矢量集中插入在中間，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，在低頻時(shí)會(huì)導(dǎo)致明顯的走走停停不平穩(wěn)現(xiàn)象，而7段式方法中零矢量的一半被插入在PWM周期的中間，另一半插入在PWM周期的兩邊，這樣可以使得磁鏈的運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)，減少電機(jī)轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)，使得低頻時(shí)特性明顯好于5段式，高頻時(shí)特性差異不大。但5段式方法中每個(gè)PWM周期中，總有一相橋臂的開關(guān)管狀態(tài)不需要改變，而在7段式方法中，每一相橋臂的開關(guān)管都需要開關(guān)各一次，5段式比7段式開關(guān)次數(shù)減少1/3，所以5段式的開關(guān)功耗是最小的。綜合來說在PWM周期達(dá)到10KHz以上，5段式更加合適。

舉例：角度θ=30°，力矩百分比M=50%，PWM頻率20KHz，求三相各PWM的占空比。

以上是關(guān)于直流無刷電機(jī)的正弦波控制的簡要介紹。

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