直流無(wú)刷電機(jī)的正弦波控制即通過(guò)對(duì)電機(jī)繞組施加一定的電壓,使電機(jī)繞組中產(chǎn)生正弦電流,通過(guò)控制正弦電流的幅值及相位達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。與傳統(tǒng)的方波控制相比,電機(jī)相電流為正弦,且連續(xù)變化,無(wú)換相電流突變,因此電機(jī)運(yùn)行噪聲低。
根據(jù)控制的復(fù)雜程度,直流無(wú)刷電機(jī)的正弦波控制可分為:簡(jiǎn)易正弦波控制與復(fù)雜正弦波控制。
01
簡(jiǎn)易正弦波控制
對(duì)電機(jī)繞組施加一定的電壓,使電機(jī)相電壓為正弦波,由于電機(jī)繞組為感性負(fù)載,因此電機(jī)相電流也為正弦波。通過(guò)控制電機(jī)相電壓的幅值以及相位來(lái)控制電流的相位以及幅值,為電壓環(huán)控制,實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單。
02
復(fù)雜正弦波控制
與簡(jiǎn)易正弦波控制不同,復(fù)雜的正弦控制目標(biāo)為電機(jī)相電流,建立電流環(huán),通過(guò)直接控制相電流的相位與幅值達(dá)到控制電機(jī)的目的。由于電機(jī)相電流為正弦信號(hào),因此需要進(jìn)行電流的解耦操作,較為復(fù)雜,常見的為磁場(chǎng)定向控制(FOC)及直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)等。
下面介紹簡(jiǎn)易正弦波控制的原理及其實(shí)現(xiàn)。
簡(jiǎn)易正弦波控制原理
簡(jiǎn)易正弦波控制即通過(guò)控制電機(jī)正弦相電壓的幅值以及相位達(dá)到控制電機(jī)電流的目的。通常通過(guò)在電機(jī)端線施加一定形式的電壓來(lái)使繞組兩端產(chǎn)生正弦相電壓。常見的生成方式為:正弦PWM以及空間矢量PWM。由于正弦PWM原理簡(jiǎn)單且便于實(shí)現(xiàn),因此簡(jiǎn)易正弦波控制中通常采用其作為PWM生成方式。圖1為BLDC控制結(jié)構(gòu)圖,其中Ux、Uy、Uz為橋臂電壓,Ua、Ub、Uc為電機(jī)繞組的相電壓,以下對(duì)于不同種類的PWM調(diào)制方式的介紹將基于此結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行。
圖1 直流無(wú)刷電機(jī)控制框圖
Part 1
三相正弦調(diào)制PWM
三相SPWM為最常見的正弦PWM生成方式,即對(duì)電機(jī)三個(gè)端線施加相位相差120度的正弦電壓信號(hào),由于中性點(diǎn)為0,因此電機(jī)相電壓也為正弦,且相位與施加的正弦電壓相同。如圖2所示。
圖2 三相調(diào)制SPWM端線電壓
Part 2
開關(guān)損耗最小正弦PWM
與常見的SPWM不同,采用開關(guān)損耗最小正弦PWM時(shí),施加在電機(jī)端線上電壓Ua、 Ub、Uc并非正弦波電壓,此時(shí)電機(jī)中心點(diǎn)電壓并非為0,但是電機(jī)相電壓仍然為正弦。因此此類控制方式為線電壓控制。
其中Ux、Uy、Uz為電機(jī)端線電壓,Ua、Ub、Uc為電機(jī)相電壓,可見相電壓相位差為120度。Ux、Uy、Uz與Ua、Ub、Uc的關(guān)系如下:
合并后,Ux,Uy,Uz如下:
可見采用開關(guān)損耗最小正弦PWM時(shí),Ux,Uy,Uz相位差120度,且為分段函數(shù)形式,并非正弦電壓,而電機(jī)相電壓Ua、Ub、Uc仍然為正弦電壓。且在120度區(qū)內(nèi)端線電壓為0,即對(duì)應(yīng)的開關(guān)管常開或常關(guān)。因此與三相正弦PWM相比,開關(guān)損耗減少1/3。
通過(guò)控制Ux,Uy,Uz的相位以及幅值即可以控制Ux,Uy,Uz,實(shí)現(xiàn)控制電流的目的。
Part 3
空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)
與SPWM不同,SVPWM施加在電機(jī)端線上電壓并非等效正弦波電壓,此時(shí)電機(jī)中心點(diǎn)電壓并非為0,但電機(jī)相電壓仍然為等效正弦,從而使得電機(jī)相線電流也成正弦變化規(guī)則。
三相全橋逆變器共8種開關(guān)模式,分別對(duì)應(yīng)八個(gè)基本電壓空間矢量U0~U7,U0和U7為零矢量,位于原點(diǎn)。其余6個(gè)非零矢量幅值相同,相鄰矢量間隔60°。根據(jù)非零矢量所在位置將空間劃分為六個(gè)扇區(qū)??臻g矢量脈寬調(diào)制就是利用U0~U7的不同組合,組成幅值相同、相位不同的參考電壓矢量Uref,從而使矢量軌跡盡可能逼近基準(zhǔn)圓。
圖3 基本空間矢量在空間的分布
圖4為參考電壓在第一扇區(qū),有兩個(gè)非零矢量U1U2和零矢量合成,當(dāng)參考電壓進(jìn)入下一個(gè)扇區(qū),采用新的相鄰兩個(gè)矢量與零矢量進(jìn)行合成?;谑噶亢铣梢?guī)則,在符合T1+T2 《= Tpwm條件下,并要求任意角度下V1和V2都能合成出的矢量,所以Uref_max=√3/2 Udc。調(diào)制度M=Uref/(Uref_max)=Uref/(√3/2 Udc)。
圖4 參考電壓在第一扇區(qū)矢量合成方法
由三角正弦定理可知:
θ角度的推算和前面SPWM里的方法是一樣的。為了減少三角函數(shù)計(jì)算同樣采用代碼內(nèi)置Sin三角函數(shù)表為了獲得最佳的諧波性能和最小開關(guān)損耗,目前主要有7段式和5段式空間矢量合成方法。
對(duì)比7段式和5段式可知,兩者在零矢量的分配上存在很大的區(qū)別,單個(gè)PWM周期內(nèi),5段式方法將零矢量集中插入在中間,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大,在低頻時(shí)會(huì)導(dǎo)致明顯的走走停停不平穩(wěn)現(xiàn)象,而7段式方法中零矢量的一半被插入在PWM周期的中間,另一半插入在PWM周期的兩邊,這樣可以使得磁鏈的運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn),減少電機(jī)轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng),使得低頻時(shí)特性明顯好于5段式,高頻時(shí)特性差異不大。但5段式方法中每個(gè)PWM周期中,總有一相橋臂的開關(guān)管狀態(tài)不需要改變,而在7段式方法中,每一相橋臂的開關(guān)管都需要開關(guān)各一次,5段式比7段式開關(guān)次數(shù)減少1/3,所以5段式的開關(guān)功耗是最小的。綜合來(lái)說(shuō)在PWM周期達(dá)到10KHz以上,5段式更加合適。
舉例:角度θ=30°,力矩百分比M=50%,PWM頻率20KHz,求三相各PWM的占空比。
以上是關(guān)于直流無(wú)刷電機(jī)的正弦波控制的簡(jiǎn)要介紹。
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原文標(biāo)題:直流無(wú)刷電機(jī)的正弦波控制簡(jiǎn)介
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