BLDC控制策略的选择与实施

了解梯形、正弦和磁场定向控制之间的区别可以帮助工程师理解磁场定向控制 (FOC)的价值以及可用于优化其设计的选择。

与传统的有刷直流电机相比，BLDC 电机更小、更轻、更安静，同时还能提高消费、工业、汽车和医疗应用的可靠性和能源效率。其无刷结构消除了机械磨损、导电灰尘、可听噪声和电弧等问题，简化了设备设计和维护。

控制策略包括从基本的梯形控制到更平滑的正弦控制和磁场定向控制 (FOC)，让工程师可以选择各种选项来平衡复杂性和成本与性能和可控性。

六步或梯形控制

使用简单的“开关”励磁方式依次为三个定子绕组通电，作用于转子中永磁体的静磁场，使其旋转。该循环包括施加到每个绕组的六个脉冲，以执行一次旋转。波形相对容易生成，并产生梯形反电动势，如图1左侧所示。但是，转子上的力并不完全沿切向，这对于确保连续最大扭矩来说是理想的。电机旋转时会出现周期性的径向分量，这会降低效率并导致磨损、发热和所谓的“扭矩波动”。

图 1. BLDC 的六步正弦控制。

正弦和磁场定向控制

从理论上讲，应用正弦激励可以产生平稳旋转的磁场，该磁场始终垂直于转子磁铁的磁场，从而产生一致的扭矩，如图 1 右侧所示。实际上，绕组电感和反电动势等效应会导致产生的电流和磁场发生相移，从而阻止简单的正弦控制提供平稳而准确的控制。

磁场定向控制 (FOC) 动态校正定子磁场幅度和方向，以实现应用所要求的扭矩和速度。该算法根据瞬时测量的转子位置计算最佳绕组电流。

磁场定向控制可实现扭矩最大化

原则上，FOC 控制交流励磁电流，使产生的磁场角度始终垂直于转子磁铁的磁场。这样可以产生最大扭矩，消除扭矩波动，提高效率，并通过消除轴承上的径向载荷将机械磨损降至最低。

定子绕组电流以及由此产生的磁场强度和方向可以表示为三个旋转矢量，它们在一个共同的静态框架中相隔 120 度。为了最大限度地减少扭矩波动并最大限度地提高效率，这些电流I U、I V和I W必须保持平衡，以使它们的净和为零。FOC 旨在实现这种平衡，首先应用“Clarke”变换。这将电流简化为两个幅度为Iα和Iβ的旋转矢量，它们在静态框架中相隔 90 度：

在旋转参考平面中将这些矢量转换为静态分量I D (直接) 和I Q (正交)，可以将它们与转子旋转时的位置相关联。这是使用“Park”变换完成的：

θ是围绕静态Iα和Iβ坐标系的转子角度

在稳定状态下，I D和 I Q是恒定值，可以解释为定子绕组电流的分量，分别表示切向和不必要的径向扭矩。FOC 使用这些值作为反馈回路的输入，通常使用比例积分 (PI) 控制器来最大化 I Q并将 I D最小化为零。由此产生的误差放大器输出V D和V Q经过 Park 逆变换和 Clarke 逆变换，随后进行脉冲宽度调制，以驱动功率级，产生三个正弦定子绕组电流。PI 控制器中的可编程增益值 Kp 和 Ki 必须分别针对瞬态响应和稳态精度进行优化，并且严重依赖于实际电机参数，特别是绕组电阻和电感。但是，先进的 FOC 控制器(例如Qorvo [1] 的控制器)具有自动调谐功能，可以“学习”所连接电机的特性。图 2 显示了使用 FOC 的 BLDC 电机控制器的轮廓。

图 2.驱动 BLDC 电机的 FOC 方案。

特别受益于 FOC 的应用是那些需要最小化噪音或振动或需要低谐波接触的应用。此外，FOC 可使应用在需要时以高于标称速度的速度运行。这是通过“磁场减弱”实现的，其中通过控制电流I D降低到负值来故意降低反电动势。这降低了有效转子磁场并允许更高的速度，尽管扭矩会降低。

感应转子位置和绕组电流

必须知道 FOC 中的转子角位置才能解析 Id 和 Iq 分量。还需要测量定子绕组电流。

有几种方法可以检测转子位置。无传感器监控可根据绕组电流、反电动势和电机特性模型推断位置。然而，在高负载下启动可能很困难，可能需要使用梯形驱动器启动电机。在这种情况下，一个绕组在任何时刻都处于不通电状态，而存在的反电动势的零交叉可准确指示位置。然后，当电机运行时，应用程序可以更改为正弦 FOC。

或者，使用霍尔传感器检测转子位置可以在高负载条件下启动并实现精确的扭矩控制。更昂贵的选择是使用磁性旋转变压器或具有正交输出的编码器，它们可以提供高精度的位置测量并可以感测旋转方向。

此外，测量绕组电流的方法也有很多种。最准确的方法是使用三个传感电阻同时对三个绕组电流进行采样，每个电阻都连接到一个 ADC。通常的方法是测量逆变器支路电流(图 3，左)。

对于成本敏感的应用，可以使用单个分流电阻器来有效测量直流链路电流(图 3，右)。只需要一个 ADC，并使用单分流电流重构方法计算相电流。电流采样的时间对于捕获准确的平均值至关重要。如果有效矢量持续时间小于最小测量周期，则振铃等效应可能会影响准确性。非对称电流采样可以克服这个问题，但需要更复杂的计算。

图 3. 使用三分流器(左)和单分流器(右)方法监测 BLDC 电机电流。

实施 BLDC FOC

完整的电机控制应用需要电源管理、模拟感应、PWM 生成、栅极驱动功能以及负责执行 FOC 算法的处理核心。针对电机控制优化的片上系统设备(例如 Qorvo 基于 Arm® Cortex® 的 PAC5xxx 系列)将此电路集成在单个封装中。该系列中的一种变体甚至集成了功率 MOSFET，可直接驱动低功耗 BLDC 电机，用于手持设备和工具等应用。这些 Power Application Controller® IC 支持本文讨论的方法，包括使用霍尔传感器或正交编码器进行无传感器转子位置测量或检测以及单分流器或三分流器电流感应。它们还允许混合梯形/FOC 模式，以确保启动和磁场削弱，以实现高于标称速度的运行。

结论

了解梯形、正弦和磁场定向控制之间的差异以及基本工作原理可以帮助工程师在开发 BLDC 电机应用时选择正确的控制策略。磁场定向控制可以提供精确的速度控制、快速的动态响应和最小的扭矩波动，现在可以使用单芯片控制 IC 来实现。