BLDC電机控制算法(瑞萨).doc

BLDC电机控制算法 无刷电机属于自換流型(自我方向轉換)，因此控制起来更加复杂。 BLDC电机控制要求了解电机进行整流转向的转子位置和机制。对于闭环速度控制，有两个附加要求，即对于转子速度/或电机电流以及PWM信号进行测量，以控制电机速度功率。 BLDC电机可以根据应用要求采用边排列或中心排列PWM信号。大多数应用仅要求速度变化操作，将采用6个独立的边排列PWM信号。这就提供了最高的分辨率。如果应用要求服务器定位、能耗制动或动力倒转，推荐使用补充的中心排列PWM信号。 为了感应转子位置，BLDC电机采用霍尔效应传感器来提供绝对定位感应。这就导致了更多线的使用和更高的成本。无传感器BLDC控制省去了对于霍尔传感器的需要，而是采用电机的反电动势（电动势）来预测转子位置。无传感器控制对于像风扇和泵这样的低成本变速应用至关重要。在采有BLDC电机时，冰箱和空调压缩机也需要无传感器控制。 空载时间的插入和补充 大多数BLDC电机不需要互补的PWM、空载时间插入或空载时间补偿。可能会要求这些特性的BLDC应用仅为高性能BLDC伺服电动机、正弦波激励式BLDC电机、无刷AC、或PC同步电机。 ? 控制算法 许多不同的控制算法都被用以提供对于BLDC电机的控制。典型地，将功率晶体管用作线性稳压器来控制电机电压。当驱动高功率电机时，这种方法并不实用。高功率电机必须采用PWM控制，并要求一个微控制器来提供起动和控制功能。 控制算法必须提供下列三项功能： 用于控制电机速度的PWM电压 用于对电机进整流换向的机制 利用反电动势或霍尔传感器来预测转子位置的方法 脉冲宽度调制仅用于将可变电压应用到电机绕组。有效电压与PWM占空度成正比。当得到适当的整流换向时，BLDC的扭矩速度特性与一下直流电机相同。可以用可变电压来控制电机的速度和可变转矩。 功率晶体管的换向实现了定子中的适当绕组，可根据转子位置生成最佳的转矩。在一个BLDC电机中，MCU必须知道转子的位置并能够在恰当的时间进行整流换向。 ? BLDC电机的梯形整流换向 ? 对于直流无刷电机的最简单的方法之一是采用所谓的梯形整流换向。 ? 图1：用于BLDC电机的梯形控制器的简化框图 ?? 在这个原理图中，每一次要通过一对电机终端来控制电流，而第三个电机终端总是与电源电子性断开。 嵌入大电机中的三种霍尔器件用于提供数字信号，它们在60度的扇形区内测量转子位置，并在电机控制器上提供这些信息。由于每次两个绕组上的电流量相等，而第三个绕组上的电流为零，这种方法仅能产生具有六个方向共中之一的电流空间矢量。随着电机的转向，电机终端的电流在每转60度时，电开关一次（整流换向），因此电流空间矢量总是在90度相移的最接近30度的位置。 ? 图2：梯形控制：驱动波形和整流处的转矩 ?? 因此每个绕组的电流波型为梯形，从零开始到正电流再到零然后再到负电流。 这就产生了电流空间矢量，当它随着转子的旋转在6个不同的方向上进行步升时，它将接近平衡旋转。 在像空调和冰霜这样的电机应用中，采用霍尔传感器并不是一个不变的选择。在非联绕组中感应的反电动势传感器可以用来取得相同的结果。 这种梯形驱动系统因其控制电路的简易性而非常普通，但是它们在整流过程中却要遭遇转矩纹波问题。 ? BDLC电机的正弦整流换向 梯形整流换向还不足以为提供平衡、精准的无刷直流电机控制。这主要是因为在一个三相无刷电机（带有一个正统波反电动势）中所产生的转矩由下列等式来定义： 转轴转矩= Kt [IR Sin(?) + IS Sin(?+120) + IT Sin(?+240)]其中???????为转轴的电角度?????Kt为电机的转矩常数?????IR、IS和IT为相位电流。 如果相位电流是正弦的:?IR = I0Sin?; IS = I0Sin (+120?); IT = I0Sin (+240?)将得到 转轴转矩 = 1.5I0*Kt? (一个独立于转轴角度的常数) 正弦整流换向无刷电机控制器努力驱动三个电机绕组，其三路电流随着电机转动而平稳的进行正弦变化。选择这些电流的相关相位，这样它们将会产生平稳的转子电流空间矢量，方向是与转子正交的方向，并具有不变量。这就消除了与北形转向相关的转矩纹波和转向脉冲。 为了随着电机的旋转，生成电机电流的平稳的正弦波调制，就要求对于转子位置有一个精确有测量。霍尔器件仅提供了对于转子位置的粗略计算，还不足以达到目的要求。基于这个原因，就要求从编码器或相似器件发出角反馈。 ? 图3：BLDC电机正弦波控制器的简化框图 ? 由于绕组电流必须结合产生一个平稳的常量转子电流空间矢量，而且定子绕组的每个定位相距120度角，因此每个线组的电流必须是正弦的而且相移为120度。采用编码器中的位置信息来对两个正弦波进行合成，两