BLDC控制策略的选择与实施

BLDC 电机比传统有刷直流电机更小、更轻、更安静，同时提高了消费、工业、汽车和医疗应用的可靠性和能效。它们的无刷结构消除了机械磨损、导电灰尘、可闻噪音和电弧等问题，从而简化了设备设计和维护。

从基本梯形控制到更平滑的正弦控制和磁场定向控制 (FOC) 的控制策略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”励磁顺序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。该周期包括施加到每个绕组的六个脉冲以执行一转。波形相对容易生成并产生梯形反电动势，如图 1左侧所示。然而，转子上的力并非纯粹沿切向方向，这对于确保连续的最大扭矩是理想的。电机旋转时存在周期性径向分量，这会降低效率并导致磨损、发热和所谓的“扭矩脉动”。

图 1. BLDC 的六步正弦控制。

正弦和磁场定向控制

应用正弦励磁理论上可以产生一个始终垂直于转子磁体磁场的平滑旋转磁场，从而产生一致的扭矩，如图 1 右侧所示。在实践中，绕组电感和反电动势等影响会导致相位由此产生的电流和场的变化会阻止简单的正弦控制提供平滑和准确的控制。

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。

磁场定向控制可最大化扭矩

原则上，FOC 控制交流励磁电流，以保持所得磁场的角度始终垂直于转子磁体的磁场。这样可以产生最高的扭矩，消除扭矩脉动，最大限度地提高效率，并通过消除轴承上的径向载荷来最大限度地减少机械磨损。

定子绕组电流以及由此产生的场强和方向可以表示为在公共静态坐标系中相距 120 度的三个旋转矢量。为了最大限度地减少扭矩脉动并最大限度地提高效率，这些电流I U、IV和I W必须保持平衡，使其净和为零。 FOC 旨在通过应用“克拉克”变换来实现这种平衡。这将电流简化为两个振幅为Iα和Iβ的旋转矢量，在静态坐标系中相距 90 度：

将这些矢量转换为旋转参考平面中的静态分量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

在稳态条件下，ID和I Q是恒定值，可以解释为定子绕组电流的分量，分别代表切向和不需要的径向扭矩。 FOC 使用这些值作为反馈环路的输入，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通过逆 Park 和逆 Clarke 变换以及随后的脉宽调制来驱动功率级，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单独优化，并且在很大程度上取决于实际电机参数，特别是绕组电阻和电感。然而，先进的 FOC 控制器具有自动调节功能，可以“学习”所连接电机的特性。使用 FOC 的 BLDC 电机控制器的概要如图 2 所示。

图 2. 用于驱动 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声或振动或需要低谐波接触的应用。此外，FOC 还可以在需要时使应用程序以高于标称速度的速度运行。这是通过使用“弱磁”来实现的，其中通过控制电流I D使其低于负值来有意降低反电动势。这减少了有效转子磁场并允许更高的速度，尽管扭矩降低了。

感测转子位置和绕组电流

FOC 中必须知道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。

有多种方法可用于检测转子位置。无传感器监控根据绕组电流、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，并且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断电状态，并且存在的反电动势的零交叉提供了位置的准确指示。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进行精确的扭矩控制。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多种。最准确的方法是使用三个传感电阻器同时采样三个绕组电流，每个电阻器都连接到 ADC。通常的方法是测量逆变器桥臂电流(图 3，左)。

单个分流电阻器可用于成本敏感的应用，有效测量直流母线电流(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。电流采样的时机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，则精度可能会因振铃等效应而受到影响。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、模拟传感、PWM 生成、栅极驱动功能以及负责执行 FOC 算法的处理核心。针对电机控制进行优化的片上系统设备(例如 Qorvo 的基于 Arm® Cortex® 的 PAC5xxx 系列)将此电路集成在单个封装中。该系列的一种变体甚至集成了功率 MOSFET，可直接驱动低功耗 BLDC 电机，适用于手持设备和工具等应用。这些电源应用控制器® IC 支持本文讨论的方法，包括无传感器转子位置测量或使用霍尔传感器或正交编码器进行检测以及单分流或三分流电流感应。它们还允许混合梯形/FOC 模式，以确保启动和弱磁以在高于额定速度的情况下运行。

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，具有快速动态响应和最小的扭矩纹波，现在可以使用单芯片控制 IC 来实现。