直流無刷電機的正弦波控制介紹

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

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

01

簡易正弦波控制

對電機繞組施加一定的電壓，使電機相電壓為正弦波，由于電機繞組為感性負載，因此電機相電流也為正弦波。通過控制電機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，實現(xiàn)較為簡單。

02

復雜正弦波控制

與簡易正弦波控制不同，復雜的正弦控制目標為電機相電流，建立電流環(huán)，通過直接控制相電流的相位與幅值達到控制電機的目的。由于電機相電流為正弦信號，因此需要進行電流的解耦操作，較為復雜，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正弦相電壓的幅值以及相位達到控制電機電流的目的。通常通過在電機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為電機繞組的相電壓，以下對于不同種類的PWM調(diào)制方式的介紹將基于此結(jié)構(gòu)圖進行。

圖1 直流無刷電機控制框圖

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，即對電機三個端線施加相位相差120度的正弦電壓信號，由于中性點為0，因此電機相電壓也為正弦，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，施加在電機端線上電壓Ua、 Ub、Uc并非正弦波電壓，此時電機中心點電壓并非為0，但是電機相電壓仍然為正弦。因此此類控制方式為線電壓控制。

其中Ux、Uy、Uz為電機端線電壓，Ua、Ub、Uc為電機相電壓，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，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，即對應的開關(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施加在電機端線上電壓并非等效正弦波電壓，此時電機中心點電壓并非為0，但電機相電壓仍然為等效正弦，從而使得電機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，分別對應八個基本電壓空間矢量U0~U7，U0和U7為零矢量，位于原點。其余6個非零矢量幅值相同，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扇區(qū)。空間矢量脈寬調(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)，有兩個非零矢量U1U2和零矢量合成，當參考電壓進入下一個扇區(qū)，采用新的相鄰兩個矢量與零矢量進行合成?；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)矩脈動大，在低頻時會導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轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)，減少電機轉(zhuǎn)矩的脈動，使得低頻時特性明顯好于5段式，高頻時特性差異不大。但5段式方法中每個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)于直流無刷電機的正弦波控制的簡要介紹。

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