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解析:無感、有感、FOC——三大無刷電機控制策略分析
文章來源:永阜康科技 更新時間:2025/6/24 15:40:00
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     無刷電機憑借效率、低噪音和長壽命等優勢,廣泛應用在現代自動化工業領域。通常無刷電機的控制方法包括無感控制、有感控制、磁場矢量控制(FOC)、正弦波控制、直接轉矩控制(DTC)、模型預測控制(MPC)幾種方式。這幾種控制策略應用在不同的場景下,其實現的難易程度也是十分明顯。這篇文章主要聊一下我熟悉的三種控制方式——無感、有感和FOC。
1 無感控制

無感控制,無刷電機在無轉子位置傳感器(霍爾傳感器)的情況下,通過相應的算法和控制策略控制無刷電機的啓動和穩定運行。特定的算法一般採用觀測反電動勢或者其他非直接位置傳感器。

過零檢測,無感控制的常用策略是通過檢測反電動勢的變化,判斷無刷電機的轉子位置,如圖所示爲無感控制的反電動勢檢測電路。

       在無刷電機換相原理中,當(dāng)無刷電機任意倆相通電的情況下,剩餘的懸空相就能夠檢測(cè)到反電動勢。在轉子由0°轉到60°期間,反電動勢過零一次,這種操作也就是常說的過零檢測(cè)。

       當無刷電機任意兩相通電情況下,剩餘懸空相就能檢測到反電動勢,檢測到反電動勢處於零點位置時,轉子處於與懸空相同一方向(平行方向),即處於相位換相後移動30°,再移動30°角即爲換相點。所以,在借助六個過零事件控制無刷電機,爲瞭實現精確換相點,利用上一個換相周期的時間推算本周期30°延遲角的時間延遲。

無感控制的啓動分爲三個階段,預定位、啓動加速、閉環控制。

1)預定位    先給某兩相通電一段時間,讓轉子轉到預定的位置;通電占空比(一般30~50)和時間不要太大,易引起發熱;通電時間、占空比需要依據不同的電機和負載情況確定;否則可能會由於長時間在一個線圈上加電燒壞,或者時間太短不能預定位。

2)啓動加速    依據所要轉動的方向,按轉向順序依次給各相通斷電(換相);啓動的過程,需要多次換相,並逐漸加速;同預定位一樣,這個加速過程也與具體的電機和負載相關,需要結合實際測試來確定輸出占空比的大小,換相頻率太低,電機加速慢,會抖動反轉,線圈也會發熱嚴重;換相頻率太高,電機運行起來容易失步,導緻加速失敗。

3)閉環控制    當啓動加速到一定轉速時,反電動勢及其過零點可以被穩定的檢測到時,就可以切換到閉環控制狀态。

2 有感控制

無刷電機的有感控制指在無刷電機(BLDC)中,一般採用3個開關型霍爾傳感器檢測轉子位置,根據3個霍爾傳感器輸出的編碼控制MOS管的通斷,進而實現換相。

       在無刷電機中一般把3個霍爾傳(chuán)感器間隔120°的圓周分布安裝如圖所示。輸出信号高低電平各占180°角。設輸出的高電平爲1,低電平用0表示,則輸出三個信号用二進制編(biān)碼表示如上表。

        轉子每轉動(dòng)一周可以輸出6個信号,正好可以對應六步方波換相的6個過程。我們可以按照出廠(chǎng)的真值表順序去控制MOS管的開通和關斷

3 磁場(chǎng)定向控制(FOC)

FOC(Field-Oriented Control),直譯是磁場(chǎng)定向控制,也被稱(chēng)作矢量控制 (VC,Vector Control) ,是目前無刷直流電機(BLDC)和永磁同步電機(PMSM)高效控制的最優方法之一。FOC旨在通過精確地控制磁場大小與方向,使得電機的運動轉矩平穩、噪聲小、效率高,並且具有高速的動态響應。

      定子磁場是固定的,而轉子磁場随著(zhe)轉子的旋轉而移動。當這兩個磁場之間的夾角爲90∘時,轉子中的導體切割定子磁場的磁力線速度最快,這導緻在轉子導體中産(chǎn)生最大的感應電流。這些感應電流在定子磁場中受到的洛倫茲力也最大,因此産(chǎn)生的旋轉力矩(即電磁轉矩)也最大。所以如何使定子磁場和轉子磁場一直相差90°,讓電機一直産(chǎn)生最大力矩,就是FOC矢量控制所解決的問題。

FOC控制流程

FOC控制無刷電機過程,通過對無刷電機的三相電流採(cǎi)樣進行Clarke變換,将三相正弦電流信号轉換爲兩相正弦信号,再經Park變換(旋轉變換),轉換爲兩個直流信号作爲電流閉(bì)環的輸入,再經反Park變換和空間矢量脈寬調制控制三相全橋的開斷,從而實現無刷電機的控制。

對上圖的解釋如下:

(1) 對電(diàn)機的三相電(diàn)流採(cǎi)樣得到Ia Ib Ic,

(2) 将Ia Ib Ic, 經Clark變(biàn)換(huàn)得到   

(3) 将  經Park變(biàn)換(huàn)得到Iq Id

(4) 計(jì)算Iq Id和設(shè)定值Iq_ref Id_ref誤差

(5) 将上述的誤差作爲pid控制器中,得到輸(shū)出控制電(diàn)壓Uq,Ud

(6) Uq,Ud進行反park變(biàn)換(huàn)   

(7)   經svpwm模塊(clark反變(biàn)換)輸出到mos管,産(chǎn)生定轉子正交磁場,控制電機運轉。

 
 
 
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