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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

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无刷电机控制技术综述

Yadu Kiran1， P.S. Puttaswamy博士2
  1. 印度曼迪亚体育工程学院电气与电子工程系学士学位学者
  2. 印度曼迪亚市体育工程学院电气与电子工程系教授
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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摘要

本文详细并对比了无刷电机运行中使用的不同控制策略，无刷电机一般指的是永磁电机。这些电机由于效率高、动态响应快、体积小等优点，在工业应用中越来越受欢迎。直到最近，这些电机的高性能控制算法的编程和实现成本一直令人望而却步。然而，Microchip、飞思卡尔、IRetc等制造商已经在促进这些算法在其处理器架构中的应用方面取得了很大的进步。这大大降低了开发成本，并为无刷电机开辟了全新的途径。

关键字
无刷电机，永磁电机，梯形控制，正弦控制，磁场定向控制，脉宽调制

介绍
在其最简单的形式中，无刷电机由一个充当转子的永磁体组成。转子周围有三个等间距的定子绕组，如图1所示。每个绕组中的电流流产生一个磁场矢量，这些矢量相互叠加形成一个合成磁场。电机中的转矩是由净定子磁场和永磁体(即转子)产生的磁场之间的吸引或斥力产生的。通过控制三个绕组中的电流流动，定子可以产生任意方向和大小的磁场，从而控制产生的转矩。传统的有刷电机使用机械换向器进行换向，而无刷电机需要电子换向来控制通过绕组的电流方向。
对于转子的任何位置，定子净磁场都存在使产生的转矩[1]最大的最优方向。如果净定子磁场和转子磁场方向一致，则不会产生转矩。这是因为场的相互作用产生的力与转子的旋转轴一致，只导致电机轴承的压缩，而不是旋转。如果定子磁场垂直于转子磁场，则产生最大转矩。
任何定子磁场都可以表示为两个矢量分量的合力，一个是负责产生扭矩的正交分量(正交分量)，另一个是产生不必要的热量和压缩力的平行分量(直接分量)。因此，理想的驱动器应力求使平行分量最小化，同时使正交分量最大化。
定子磁场是由电流流过三个等距的绕组产生的，这三个绕组的机械位置相距120度。因此，它们各自产生一个场向量分量，方向彼此为120度。永磁电机的数学模型是根据绕组电流而不是定子磁场，因为它们更容易测量。电流空间向量用于根据绕组电流来模拟定子磁场。给定线圈的电流空间矢量的大小与流过线圈的电流成正比，并与该线圈产生的磁场方向成正比。这使得我们可以用电流空间矢量表示总的定子磁场，电流空间矢量是线圈的三个电流空间矢量分量的矢量和。简单地说，合成的电流空间矢量是为了产生与通过真实定子绕组的三个真实电流的组合相同的定子磁场方向和大小而需要在单个虚拟绕组中流动的电流。
就像定子磁场一样，电流空间矢量也可以分解为正交轴分量和直轴分量。正交(正交)电流分量产生一个与转子磁体成直角的场，因此产生转矩，而平行(直流)电流分量产生一个与转子磁体对齐的场，并且不产生转矩。因此，控制算法的目标是减少直流分量，从而使损耗最小化。当前空间矢量如图2所示，其中三个线圈分别命名为A, b和C。
为了产生恒定的平滑转矩，理想情况下定子电流空间矢量的大小应该是恒定的，并且应该与转子一起转动，以便始终在正交方向上，与转子角度和速度无关。为了实现这一目标，各种控制算法已经被试验和开发，并取得了不同程度的成功。
其结构的性质使永磁电机比传统感应电机有几个优点，例如:
•消除现场铜损失
•更高的功率密度
•更低的转子惯性
•体积小巧
•快速动态响应
•整体效率更高
磁性和绝缘材料领域的新发展和研究，以及控制策略进一步扩大了这些电机在各种应用中的吸引力和可行性。它们在牵引工作、电动/混合动力汽车[3]甚至医疗应用等应用中越来越受欢迎。

永磁同步电机和无刷直流电动机的比较
主要有两种主要类型的无刷电机，即-无刷直流电动机(BLDC)和永磁同步电机(PMSM)。它们都有相同的基本结构，由转子上的永磁体和定子上的绕组组成。然而，一个主要的区别是定子中的线圈均匀地缠绕在无刷直流电机中，而在PMSM的情况下以对称方式缠绕[2]。结果，在无刷直流电动机中产生的反电动势本质上是梯形的，如图3所示，而在永磁同步电动机中本质上是正弦的。因此，永磁同步电机效率更高，产生的噪音和转矩波动更小。
然而，永磁同步电机的固有优势确实需要更复杂的控制算法。

控制技术
目前有许多无刷电机控制技术。它们主要可以分为三类:梯形控制、正弦控制和场向控制。

A.梯形控制
无刷直流电动机(BLDC)最简单和常用的控制方法之一是梯形控制。如前所述，定子由三个定子绕组组成，它们充当终端。在这种方法中，电流一次通过两个端子控制，在此期间，第三个端子与电源断开电连接。为了测量转子的位置，霍尔效应传感器通常嵌入到电机中。在任何时刻，相等大小的电流在两个绕组中流动，而第三个绕组为零。因此，当前空间向量可以是图4所示的六个不同的可能方向之一。
当电机旋转时，到电机终端的电流每旋转60度就被电开关(换向)，因此当前空间矢量总是在正交方向最近的30度内。因此，每个绕组的电流波形是一个阶梯，从零到正，到零，然后到负电流，如图5所示。这就产生了一个电流空间矢量，当转子旋转时，它在六个不同的方向之间步进。因此，它也被称为“六步”控制。
然而，该方案确实具有各种局限性。由于当前空间向量只能指向六个不同的方向，因此它可以从0到30度之间的任何地方偏离所期望的正交方向。这导致在电机电转速的六倍频率下的最大转矩脉动约为15%。它还导致效率的损失，因为电流的直轴分量根本不产生扭矩。此外，有源终端的开关在电机的每一次电转中引入了电流控制回路6次的瞬态，这使得控制电机变得困难，特别是在低速时。
梯形控制适用于电机与正弦反电动势，因为产生的扭矩不是恒定的，但由部分正弦波如图6所示。这是由于应用梯形控制策略的电机与正弦反电动势。
该方案的主要优点是相对简单和廉价的实现，因为只需要控制一个相电流。因此，它被认为是不需要高性能的低成本应用程序的理想选择。

B.正弦控制
正弦控制的原理是用三种电流驱动所有三个电机绕组，随着电机旋转而平滑地正弦变化。这就需要对三个绕组电流进行调制，使得产生的空间矢量始终在相对于转子的正交方向上，并且具有恒定的大小。
为了达到这一目的，转子位置的精确测量是必需的，这可以由解析器或正交脉冲编码器提供。由于绕组是星形连接的，其中一个绕组的电流是其他两个绕组电流的负和。因此，该方案需要一个电流控制回路的前两个绕组。图7显示了正弦控制方案的典型框图。
绕组电流必须结合起来产生一个平稳的恒定大小的旋转电流空间矢量，因为定子绕组的方向是120°，机械上彼此分开，每个绕组中的电流必须是正弦和相移120°。编码器的位置信息可以通过查找表合成两个相移120度的正弦波。这些信号然后乘以一个值，使正弦波的振幅与所需的扭矩成比例。结果是两个正弦电流指令信号适当相控，以产生所需的旋转定子电流空间矢量在正交方向。然后，这些信号被提供给一对PI控制器，其输出给PWM发生器。这些PWM发生器产生脉冲到电桥电路，以控制施加在绕组上的电压，从而控制绕组电流。施加到第三个电机端子的电压是施加到前两个绕组的电压的负和。产生的绕组电流应跟踪参考正弦电流指令信号，以获得平稳旋转的电流空间矢量，其大小恒定，并朝向正交方向。实际电流跟踪参考信号的程度也取决于控制器的实现。
正弦控制克服了梯形控制的一些缺点，消除了转矩脉动，并在低速下提供了更高效率的平稳旋转。然而，PI控制器的增益和频率响应有限。随着速度的增加，正弦信号的频率增加，使得控制器更难跟踪参考电流命令信号。电流回路中的滞后和增益误差在低速时是无关紧要的，导致当前空间矢量偏离所需的正交方向，在直轴方向上产生不必要的扭矩。这导致在给定的电流量下有用转矩的减少。当需要更多的电流来维持所需的扭矩时，效率就会下降。速度也只能增加到某一点，之后在当前空间矢量的相移超过90o导致负扭矩。
正弦控制方案用于BLDC和PMSM电机低速-中速应用，但不适合需要高速的操作。

C.磁场定向控制
面向场控制算法与正弦控制算法有许多共同之处。然而，一些根本的不同之处使得它在高速下能获得更好的效率。正弦控制的主要缺点是由于这种控制方案试图控制电机电流的大小和方向随时间变化。随着速度和频率的增加，PI控制器由于带宽有限而无法处理操作。这个问题可以通过在两轴d-q参照系中表示和控制当前空间向量来克服。
该控制方案围绕Clarke和Park变换及其逆变换展开。通过应用这些变换，我们可以将定子的3Φ电流转换到转子的旋转框架中。
利用Clarke变换，将三相量从三相参考系转换为两轴正交平稳参考系。然而，当转子参考系不断旋转时，这些量仍然在静止的参考系中。Park的变换将这些量转换成由直轴和正交轴组成的正交参考系。这三个参考系如图8所示。
合并的Clarke和Park变换可以写成矩阵形式如下:
图像
其中θ是转子的角位置。
同样地，逆变换为:
图像
正如前面在第一节中提到的，直轴组件产生无用的扭矩，而交轴组件产生负责旋转的扭矩。在理想情况下，d-q坐标系中的当前空间矢量相对于转子的大小和方向(正交)是固定的，而不考虑旋转。由于d-q参照系中的当前空间向量是静态的，PI控制器现在必须对直流量而不是正弦信号进行操作，从而大大简化了控制结构。这使控制器不受时变绕组电流和电压的影响，从而消除了控制器频率响应和相移对电机转矩和速度的限制。
测量的电机电流首先从定子绕组的三相静态参考系转换到两轴旋转的d-q参考系，然后由PI控制器进行处理。然后，要施加的电压被传输回3Φ参考系，然后发送到PWM发生器。PWM发生器为驱动器的桥式电路的臂产生门控脉冲，以产生所需的电压，该电压将应用于整个绕组。
标准FOC驱动器的框图如图9所示。该方案采用两个控制回路，一个控制直轴电流，另一个控制正交轴电流。由于我们的目的是减少直轴电流，直轴电流的参考输入为零。正交电流回路以所需转矩作为输入。通过将直轴组件驱动到零，当前空间矢量将只在正交方向上，产生的扭矩将跟踪参考扭矩输入。
在正弦控制中，首先执行换向，然后对产生的正弦电流命令信号进行PI控制。在磁场定向控制中，先对电流进行PI控制，然后进行换向过程。通过将PI控制器与时变电流和电压隔离，FOC算法能够提供许多优点，例如:
•高效
•在低速和高速下平稳运行，速度范围广
•将复杂耦合的交流模型转换为简单的线性系统
•动态响应快，瞬态和稳态性能好
唯一阻碍采用FOC的限制是需要处理的转换需要大量的计算能力，而且很难实现。这些天，微处理器和dsp与向量控制功能实现到体系结构本身在市场上是现成的。由于有效的控制策略提供高效率和满足众多要求，这导致了无刷电机的使用率激增。
有几种技术可以用来实现FOC的脉宽调制，最著名的是正弦PWM，空间矢量PWM和三次谐波注入PWM。软计算技术，如模糊逻辑，遗传算法，神经网络等也可以用于实现对精度要求极高的应用。

传感器技术与无传感器技术的比较
上述所有的控制技术都需要电机的实时位置信息才能有效地工作。获得转子位置信息的方法有很多种，可以使用传感器，也可以通过其他方法推导出信息。
基于传感器的技术采用与转子耦合的机电传感器来提供转子的速度和位置。目前最常用的是光学编码器、解析器和霍尔效应传感器。解析器和光学编码器安装在电机的外部，而霍尔传感器安装在转子本身。所有三种类型的传感器输出如图10所示。
在所有可用的传感器中，解析器是最精确的，也是最昂贵的。它本质上是一个旋转的电子变压器，产生模拟信号，可用于确定绝对位置。由于其高分辨率，它是工业伺服应用的首选。
虽然不像解析器那样精确，但光学编码器仍然提供相当高的分辨率。它由一个增量旋转盘组成，其外围有一个槽型。一个LED被安装在磁盘的一侧，一个光电晶体管被安装在另一侧，与LED相对。该装置每旋转360度产生一组脉冲数，如图10所示。
霍尔传感器是低成本应用中最常用的传感器。转子上安装了三个霍尔效应传感器，每旋转60度提供数字信号。
然而，在不使用位置传感器的情况下，仍然可以获得转子的位置信息。它不仅降低了安装的整体复杂性和成本，而且还消除了精密电子器件，有利于恶劣工作环境的应用。
获得电机速度和位置的一种方法是通过测量反电动势[7]。根据伦茨定律，电机旋转时产生的BEMF与激励电压方向相反。BEMF波形随转子位置和速度的变化而变化。该系统读取BEMF信号并寻找当BEMF电压等于电机中性电压时发生的过零点。这些过零点决定了什么时候给绕组通电。该技术可用于广泛的电机，可用于速度控制或转矩控制。反电动势也可以通过测量流过电机绕组的电流来估计。
然而，使用反电动势的位置检测是不可能在零或低速。换句话说，电机是开环启动的。因此，这种方法只适用于不需要在低速下精确闭环运行的应用。
对于低速无传感器操作，采用感应测量技术。这种方法是基于这样一个事实，即无刷电机的转子位置对线圈的电气特性有轻微的影响，即使它没有移动。这种小的影响是可以测量的，特别是对于具有较大显著性的电机，并且可以从测量中推断出转子的位置。

结论
本文所介绍的控制策略各有优缺点。梯形控制是相对简单，提供平稳运行在高速，但造成转矩波纹在低速。正弦控制消除了转矩脉动，并在低速时提供了有效的操作，但PI控制器的局限性使其不适合高速应用。现场导向控制(FOC)结合了前两种方法的优点，在低速和高速下都能提供平稳高效的操作和快速的动态响应。实现传感器的决定还取决于各种因素。排除传感器将降低系统的成本和尺寸，但增加了复杂性，因为转子信息需要从其他方法推导。这取决于设计师选择最合适的控制技术，以满足他的要求，同时最大限度地降低成本。

数字一览


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图1 图2 图3 图4 图5
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图6 图7 图8 图9 图10

参考文献









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