無刷直流電機(jī)的控制？
2022-11-30 14:40:32??????點(diǎn)擊：
高功率無刷電機(jī)必須由PWM控制，并要求微控制器提供啟動(dòng)和控制功能。那您了解PWM 在無刷直流電機(jī)控制中的作用嗎？
當(dāng)選擇或開發(fā)使用脈寬調(diào)制（PWM）驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)的電子設(shè)備時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員經(jīng)常會(huì)面臨挑戰(zhàn)。注意一些基本的物理現(xiàn)象，可以避免意外的性能問題。本文為PWM驅(qū)動(dòng)器與無刷直流電機(jī)配合使用提供了通用指導(dǎo)。
無刷直流電機(jī)的換向
圖 2 ：無槽無刷直流電機(jī)的橫截面示意圖。藍(lán)色 區(qū)域是帶有兩極永磁體的轉(zhuǎn)子。磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng) 由藍(lán)色箭頭表示。橙色區(qū)域?yàn)槿嗬@組。當(dāng)電流 從 A 相流向 C 相時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，由橙色箭頭表 示，以便于簡(jiǎn)化。當(dāng)兩個(gè)箭頭對(duì)齊時(shí)，轉(zhuǎn)子將旋 轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)器變換相位（旋轉(zhuǎn)定子磁場(chǎng)，橙色箭頭）， 以確保定子和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)之間盡可能保持 90 度（產(chǎn) 生最大扭矩）。
電機(jī)可以采用廣泛使用的六步梯形換向驅(qū)動(dòng)（圖3），也可以通過操作實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)的矢量控制，也稱為磁場(chǎng)定向控制（FOC），具體取決于電子設(shè)備的復(fù)雜程度（圖4）。
無刷直流電機(jī)的PWM調(diào)節(jié)
在有刷或無刷直流電機(jī)中，應(yīng)用的工作點(diǎn)（速度和扭矩）可能會(huì)有所不同。放大器的作用是改變電源電壓或電流，或兩者都改變，以實(shí)現(xiàn)期望的運(yùn)動(dòng)輸出（圖5）。
改變電壓或電流通常有兩種不同的方式：
·線性放大器；
·斬波器放大器。
線性放大器通過改變電壓或電流，來調(diào)整傳遞給電機(jī)的功率。未輸送至電機(jī)的功率被耗散（圖6）。因此，需要一個(gè)大型散熱器來耗散功率，從而增大放大器的尺寸，使其更難以集成到應(yīng)用中。
斬波放大器通過打開和關(guān)閉功率晶體管來調(diào)節(jié)電壓（和電流）。它的主要優(yōu)點(diǎn)是在晶體管關(guān)閉時(shí)可以節(jié)省電源。這有助于節(jié)省應(yīng)用的電池壽命，減少電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量，并允許使用尺寸更小的電子設(shè)備。大多數(shù)情況下，斬波放大器都使用PWM 方法。
PWM 方法包括在固定頻率下改變占空比（圖7），以將電壓或電流調(diào)整到期望的目標(biāo)值內(nèi)。請(qǐng)注意，與其它方法相比，PWM 斬波電流的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)頻率是一個(gè)固定參數(shù)。這使得電子設(shè)計(jì)師更容易過濾電磁噪聲。當(dāng)PWM 晶體管占空比為100% 時(shí)，施加到電機(jī)上的電壓為母線電壓。當(dāng)晶體管占空比為50% 時(shí)，施加在電機(jī)上的平均電壓為母線電壓的一半。當(dāng)晶體管占空比為0% 時(shí)，不會(huì)向電機(jī)施加電壓。
無刷直流電機(jī)的電感效應(yīng)
直流電機(jī)的特點(diǎn)是電感L、電阻R 和反電動(dòng)勢(shì)E 串聯(lián)。反電動(dòng)勢(shì)是由磁感應(yīng)（法拉第- 楞次感應(yīng)定律）產(chǎn)生的電壓，它與施加的電壓相反，并且與電機(jī)速度成正比。圖8 顯示了PWM 接通和PWM 斷開時(shí)的電機(jī)。
現(xiàn)在，為了簡(jiǎn)單起見，我們不考慮反電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)向R L 電路施加電壓或切斷電壓時(shí)，電感器將阻止電流的變化。向R L 電路施加電壓U，電流將遵循一階指數(shù)上升，其動(dòng)態(tài)取決于由L / R 比決定的電時(shí)間常數(shù)τ（圖9）。在經(jīng)過5 倍時(shí)間常數(shù)后，它將逐漸達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，即99.7%的U/R。
當(dāng)R L 電路放電時(shí)，將觀察到相同的指數(shù)行為。實(shí)際上，無刷直流放大器具有相當(dāng)高的PWM 頻率，電流不容易達(dá)到穩(wěn)態(tài)。該頻率通常高于50 k H z，因此在每個(gè)換相步驟中，有足夠的周期對(duì)電流進(jìn)行適當(dāng)調(diào)制。對(duì)于50k H z 的PWM 頻率，關(guān)閉和打開晶體管的周期時(shí)間等于20μs。考慮到六步換向，一個(gè)以40000 r p m（667H z）運(yùn)行的單極對(duì)電機(jī)的一次換向時(shí)間，需要250μs。這樣，在一步換向期間，至少有250/20=12.5 個(gè)PWM 周期。
無刷直流電機(jī)的電氣時(shí)間常數(shù)τ 為幾百微秒。因此，在每個(gè)PWM 周期內(nèi)，電流將有時(shí)間作出反應(yīng)。但是，機(jī)械時(shí)間常數(shù)在幾毫秒范圍內(nèi)，因此機(jī)械時(shí)間常數(shù)和電氣時(shí)間常數(shù)之間的系數(shù)為10。因此，當(dāng)電壓以典型PWM頻率切換時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子本身沒有足夠的時(shí)間響應(yīng)。幾千Hz 的低PWM 頻率可能會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動(dòng)和可聽見的噪音。建議使用高于可聽頻率的頻譜，即至少高于20 kHz。
無刷直流電機(jī)PWM 的限制
PWM 將導(dǎo)致每個(gè)周期的電流上升和下降。電流最小值和最大值之間的變化稱為電流紋波。高電流紋波可能會(huì)導(dǎo)致問題。建議將其保持在盡可能低的水平。電機(jī)轉(zhuǎn)矩需要考慮平均電流。平均電流取決于占空比，與電流紋波無關(guān)。
與有刷直流電機(jī)不同，無刷直流電機(jī)沒有電刷。高電流紋波對(duì)壽命本身沒有影響。電流波動(dòng)會(huì)對(duì)電機(jī)損耗產(chǎn)生很大影響，產(chǎn)生不必要的熱量。電流紋波將產(chǎn)生兩類損耗：
焦耳損耗。電流紋波將增加均方根（R M S）電流值，這是焦耳損耗計(jì)算中考慮的。紋波將產(chǎn)生額外的熱量，但不會(huì)增加平均電流，因此不會(huì)增加扭矩。請(qǐng)注意，它是RMS 電流函數(shù)變化的平方。
鐵損耗。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，導(dǎo)電材料中磁場(chǎng)的變化將產(chǎn)生電壓，然后產(chǎn)生被稱為渦流的電流回路。鐵損耗與電機(jī)速度的平方和電機(jī)電流的平方成正比。根據(jù)實(shí)際測(cè)量，當(dāng)電流紋波較大時(shí)，產(chǎn)生的額外鐵損耗會(huì)顯著增加。因此，保持電流紋波盡可能低非常重要。最小化電流紋波的建議
我們可以制定一些建議，以盡量減紋波：
降低或調(diào)整電源電壓。電流紋波與電源電壓成比例。高電壓，有助于到達(dá)需要高速或更高功率的極端工作點(diǎn)。然而，如果應(yīng)用不需要高速或高功率，則較低的電源電壓將有利于降低電流紋波。在相同負(fù)載點(diǎn)下，以較低電壓運(yùn)行也會(huì)增加占空比，這將進(jìn)一步降低電流紋波。務(wù)必將PWM 的占空比盡可能保持在50% 以內(nèi)，這是最壞的情況。
增加PWM 頻率。頻率越高，PWM 的周期越短；因此，電流上升的時(shí)間更短。建議無刷直流電機(jī)的PWM 頻率不低于50 kHz。80 kHz 或更高的PWM 頻率，更適合于電氣時(shí)間常數(shù)非常小的電機(jī)。
增加電感。無刷直流電機(jī)的電感值非常小。增加外部電感是一個(gè)好主意，因?yàn)樗鼈兛梢詼p緩電流的上升和下降，從而減少電流紋波。此外，針對(duì)1 k H z 的PWM頻率給出了指定的電感值。由于電機(jī)電感隨PWM 頻率變化，在50 kH z 的典型PWM 頻率下，電感可能會(huì)降低至規(guī)定值的70%。
通常通過實(shí)驗(yàn)確定電感的最佳值。需要增加額外的電感，如圖10 所示。雖然這種解決方案可以解決當(dāng)前的紋波問題，但集成附加電感可能并不容易，尤其是在空間有限的情況下。因此，首先探索其它兩種方案通常是明智選擇。
PWM 具有許多優(yōu)點(diǎn)，是無刷直流電機(jī)中應(yīng)用最廣泛的解決方案。設(shè)置適當(dāng)?shù)腜WM 電壓，使用較高的PWM 頻率，將有助于減少紋波，并可以避免使用額外的電感。得益于現(xiàn)在電子元件較低的成本，使得采用高PWM 頻率成為一種簡(jiǎn)單的解決方案。
當(dāng)涉及電子設(shè)備的尺寸和重量時(shí)（例如嵌入式電子設(shè)備的便攜式設(shè)備），或者當(dāng)電池壽命是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)時(shí)（額外電感內(nèi)阻的焦耳損耗所消耗的額外能量），電氣設(shè)計(jì)師在開發(fā)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮這些參數(shù)。
當(dāng)選擇或開發(fā)使用脈寬調(diào)制（PWM）驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)的電子設(shè)備時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員經(jīng)常會(huì)面臨挑戰(zhàn)。注意一些基本的物理現(xiàn)象，可以避免意外的性能問題。本文為PWM驅(qū)動(dòng)器與無刷直流電機(jī)配合使用提供了通用指導(dǎo)。
無刷直流電機(jī)的換向
有刷直流電機(jī)使用機(jī)械換向，無刷直流電機(jī)與此不同，采用電子換向。這意味著電機(jī)的相位，根據(jù)轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的位置依次通電和斷電。對(duì)于三相無刷直流電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器由六個(gè)電子開關(guān)（通常為晶體管）組成，通常稱為三相H 橋（圖1）。此配置允許三個(gè)雙向輸出，為電機(jī)的三相通電。
圖 2 ：無槽無刷直流電機(jī)的橫截面示意圖。藍(lán)色 區(qū)域是帶有兩極永磁體的轉(zhuǎn)子。磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng) 由藍(lán)色箭頭表示。橙色區(qū)域?yàn)槿嗬@組。當(dāng)電流 從 A 相流向 C 相時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，由橙色箭頭表 示，以便于簡(jiǎn)化。當(dāng)兩個(gè)箭頭對(duì)齊時(shí)，轉(zhuǎn)子將旋 轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)器變換相位（旋轉(zhuǎn)定子磁場(chǎng)，橙色箭頭）， 以確保定子和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)之間盡可能保持 90 度（產(chǎn) 生最大扭矩）。
電機(jī)可以采用廣泛使用的六步梯形換向驅(qū)動(dòng)（圖3），也可以通過操作實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)的矢量控制，也稱為磁場(chǎng)定向控制（FOC），具體取決于電子設(shè)備的復(fù)雜程度（圖4）。
無刷直流電機(jī)的PWM調(diào)節(jié)
在有刷或無刷直流電機(jī)中，應(yīng)用的工作點(diǎn)（速度和扭矩）可能會(huì)有所不同。放大器的作用是改變電源電壓或電流，或兩者都改變，以實(shí)現(xiàn)期望的運(yùn)動(dòng)輸出（圖5）。
改變電壓或電流通常有兩種不同的方式：
·線性放大器；
·斬波器放大器。
線性放大器通過改變電壓或電流，來調(diào)整傳遞給電機(jī)的功率。未輸送至電機(jī)的功率被耗散（圖6）。因此，需要一個(gè)大型散熱器來耗散功率，從而增大放大器的尺寸，使其更難以集成到應(yīng)用中。
斬波放大器通過打開和關(guān)閉功率晶體管來調(diào)節(jié)電壓（和電流）。它的主要優(yōu)點(diǎn)是在晶體管關(guān)閉時(shí)可以節(jié)省電源。這有助于節(jié)省應(yīng)用的電池壽命，減少電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量，并允許使用尺寸更小的電子設(shè)備。大多數(shù)情況下，斬波放大器都使用PWM 方法。
PWM 方法包括在固定頻率下改變占空比（圖7），以將電壓或電流調(diào)整到期望的目標(biāo)值內(nèi)。請(qǐng)注意，與其它方法相比，PWM 斬波電流的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)頻率是一個(gè)固定參數(shù)。這使得電子設(shè)計(jì)師更容易過濾電磁噪聲。當(dāng)PWM 晶體管占空比為100% 時(shí)，施加到電機(jī)上的電壓為母線電壓。當(dāng)晶體管占空比為50% 時(shí)，施加在電機(jī)上的平均電壓為母線電壓的一半。當(dāng)晶體管占空比為0% 時(shí)，不會(huì)向電機(jī)施加電壓。
無刷直流電機(jī)的電感效應(yīng)
直流電機(jī)的特點(diǎn)是電感L、電阻R 和反電動(dòng)勢(shì)E 串聯(lián)。反電動(dòng)勢(shì)是由磁感應(yīng)（法拉第- 楞次感應(yīng)定律）產(chǎn)生的電壓，它與施加的電壓相反，并且與電機(jī)速度成正比。圖8 顯示了PWM 接通和PWM 斷開時(shí)的電機(jī)。
現(xiàn)在，為了簡(jiǎn)單起見，我們不考慮反電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)向R L 電路施加電壓或切斷電壓時(shí)，電感器將阻止電流的變化。向R L 電路施加電壓U，電流將遵循一階指數(shù)上升，其動(dòng)態(tài)取決于由L / R 比決定的電時(shí)間常數(shù)τ（圖9）。在經(jīng)過5 倍時(shí)間常數(shù)后，它將逐漸達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，即99.7%的U/R。
當(dāng)R L 電路放電時(shí)，將觀察到相同的指數(shù)行為。實(shí)際上，無刷直流放大器具有相當(dāng)高的PWM 頻率，電流不容易達(dá)到穩(wěn)態(tài)。該頻率通常高于50 k H z，因此在每個(gè)換相步驟中，有足夠的周期對(duì)電流進(jìn)行適當(dāng)調(diào)制。對(duì)于50k H z 的PWM 頻率，關(guān)閉和打開晶體管的周期時(shí)間等于20μs。考慮到六步換向，一個(gè)以40000 r p m（667H z）運(yùn)行的單極對(duì)電機(jī)的一次換向時(shí)間，需要250μs。這樣，在一步換向期間，至少有250/20=12.5 個(gè)PWM 周期。
無刷直流電機(jī)的電氣時(shí)間常數(shù)τ 為幾百微秒。因此，在每個(gè)PWM 周期內(nèi)，電流將有時(shí)間作出反應(yīng)。但是，機(jī)械時(shí)間常數(shù)在幾毫秒范圍內(nèi)，因此機(jī)械時(shí)間常數(shù)和電氣時(shí)間常數(shù)之間的系數(shù)為10。因此，當(dāng)電壓以典型PWM頻率切換時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子本身沒有足夠的時(shí)間響應(yīng)。幾千Hz 的低PWM 頻率可能會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動(dòng)和可聽見的噪音。建議使用高于可聽頻率的頻譜，即至少高于20 kHz。
無刷直流電機(jī)PWM 的限制
PWM 將導(dǎo)致每個(gè)周期的電流上升和下降。電流最小值和最大值之間的變化稱為電流紋波。高電流紋波可能會(huì)導(dǎo)致問題。建議將其保持在盡可能低的水平。電機(jī)轉(zhuǎn)矩需要考慮平均電流。平均電流取決于占空比，與電流紋波無關(guān)。
與有刷直流電機(jī)不同，無刷直流電機(jī)沒有電刷。高電流紋波對(duì)壽命本身沒有影響。電流波動(dòng)會(huì)對(duì)電機(jī)損耗產(chǎn)生很大影響，產(chǎn)生不必要的熱量。電流紋波將產(chǎn)生兩類損耗：
焦耳損耗。電流紋波將增加均方根（R M S）電流值，這是焦耳損耗計(jì)算中考慮的。紋波將產(chǎn)生額外的熱量，但不會(huì)增加平均電流，因此不會(huì)增加扭矩。請(qǐng)注意，它是RMS 電流函數(shù)變化的平方。
鐵損耗。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，導(dǎo)電材料中磁場(chǎng)的變化將產(chǎn)生電壓，然后產(chǎn)生被稱為渦流的電流回路。鐵損耗與電機(jī)速度的平方和電機(jī)電流的平方成正比。根據(jù)實(shí)際測(cè)量，當(dāng)電流紋波較大時(shí)，產(chǎn)生的額外鐵損耗會(huì)顯著增加。因此，保持電流紋波盡可能低非常重要。最小化電流紋波的建議
我們可以制定一些建議，以盡量減紋波：
降低或調(diào)整電源電壓。電流紋波與電源電壓成比例。高電壓，有助于到達(dá)需要高速或更高功率的極端工作點(diǎn)。然而，如果應(yīng)用不需要高速或高功率，則較低的電源電壓將有利于降低電流紋波。在相同負(fù)載點(diǎn)下，以較低電壓運(yùn)行也會(huì)增加占空比，這將進(jìn)一步降低電流紋波。務(wù)必將PWM 的占空比盡可能保持在50% 以內(nèi)，這是最壞的情況。
增加PWM 頻率。頻率越高，PWM 的周期越短；因此，電流上升的時(shí)間更短。建議無刷直流電機(jī)的PWM 頻率不低于50 kHz。80 kHz 或更高的PWM 頻率，更適合于電氣時(shí)間常數(shù)非常小的電機(jī)。
增加電感。無刷直流電機(jī)的電感值非常小。增加外部電感是一個(gè)好主意，因?yàn)樗鼈兛梢詼p緩電流的上升和下降，從而減少電流紋波。此外，針對(duì)1 k H z 的PWM頻率給出了指定的電感值。由于電機(jī)電感隨PWM 頻率變化，在50 kH z 的典型PWM 頻率下，電感可能會(huì)降低至規(guī)定值的70%。
通常通過實(shí)驗(yàn)確定電感的最佳值。需要增加額外的電感，如圖10 所示。雖然這種解決方案可以解決當(dāng)前的紋波問題，但集成附加電感可能并不容易，尤其是在空間有限的情況下。因此，首先探索其它兩種方案通常是明智選擇。
PWM 具有許多優(yōu)點(diǎn)，是無刷直流電機(jī)中應(yīng)用最廣泛的解決方案。設(shè)置適當(dāng)?shù)腜WM 電壓，使用較高的PWM 頻率，將有助于減少紋波，并可以避免使用額外的電感。得益于現(xiàn)在電子元件較低的成本，使得采用高PWM 頻率成為一種簡(jiǎn)單的解決方案。
當(dāng)涉及電子設(shè)備的尺寸和重量時(shí)（例如嵌入式電子設(shè)備的便攜式設(shè)備），或者當(dāng)電池壽命是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)時(shí)（額外電感內(nèi)阻的焦耳損耗所消耗的額外能量），電氣設(shè)計(jì)師在開發(fā)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮這些參數(shù)。
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