無刷直流電機(jī)是在有刷直流電動機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展來的，具有無極調(diào)速、調(diào)速范圍廣、過載能力強(qiáng)、線性度好、壽命長、體積小、重量輕、出力大等優(yōu)點(diǎn)，解決了有刷電機(jī)存在的一系列問題，廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備、儀器儀表、家用電器、機(jī)器人、醫(yī)療設(shè)備等各個領(lǐng)域。由于無刷電機(jī)沒有電刷進(jìn)行自動換向，因此需要使用電子換向器進(jìn)行換向。無刷直流電機(jī)驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)的就是這個電子換向器的功能。
主流的無刷直流電機(jī)的控制方式
目前主要有三種：FOC（又稱為矢量變頻、磁場矢量定向控制）、方波控制（也稱為梯形波控制、120°控制、6步換向控制）和正弦波控制。那么這3種控制方式都各有什么優(yōu)缺點(diǎn)呢？
方波控制
方波控制使用霍爾傳感器或者無感估算算法獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，然后根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置在360°的電氣周期內(nèi)，進(jìn)行6次換向（每60°換向一次）。每個換向位置電機(jī)輸出特定方向的力，因此可以說方波控制的位置精度是電氣60°。由于在這種方式控制下，電機(jī)的相電流波形接近方波，所以稱為方波控制。
方波控制方式的優(yōu)點(diǎn)是控制算法簡單、硬件成本較低，使用性能普通的控制器便能獲得較高的電機(jī)轉(zhuǎn)速；缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩波動大、存在一定的電流噪聲、效率達(dá)不到最大值。方波控制適用于對電機(jī)轉(zhuǎn)動性能要求不高的場合。
正弦波控制
正弦波控制方式使用的是SVPWM波，輸出的是3相正弦波電壓，相應(yīng)的電流也是正弦波電流。這種方式?jīng)]有方波控制換向的概念，或者認(rèn)為一個電氣周期內(nèi)進(jìn)行了無限多次的換向。顯然，正弦波控制相比方波控制，其轉(zhuǎn)矩波動較小，電流諧波少，控制起來感覺比較“細(xì)膩”，但是對控制器的性能要求稍高于方波控制，而且電機(jī)效率不能發(fā)揮到最大值。
FOC控制
正弦波控制實(shí)現(xiàn)了電壓矢量的控制，間接實(shí)現(xiàn)了電流大小的控制，但是無法控制電流的方向。FOC控制方式可以認(rèn)為是正弦波控制的升級版本，實(shí)現(xiàn)了電流矢量的控制，也即實(shí)現(xiàn)了電機(jī)定子磁場的矢量控制。
由于控制了電機(jī)定子磁場的方向，所以可以使電機(jī)定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場時刻保持在90°，實(shí)現(xiàn)一定電流下的最大轉(zhuǎn)矩輸出。FOC控制方式的優(yōu)點(diǎn)是：轉(zhuǎn)矩波動小、效率高、噪聲小、動態(tài)響應(yīng)快；缺點(diǎn)是：硬件成本較高、對控制器性能有較高要求，電機(jī)參數(shù)需匹配。
哪種方式更適合未來的發(fā)展？
FOC是目前無刷直流電機(jī)（BLDC）和永磁同步電機(jī)（PMSM）高效控制的最佳選擇。FOC精確地控制磁場大小與方向，使得電機(jī)轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)、噪聲小、效率高，并且具有高速的動態(tài)響應(yīng)。由于FOC的優(yōu)勢明顯，目前已在很多應(yīng)用上逐步替代傳統(tǒng)的控制方式，在運(yùn)動控制行業(yè)中備受矚目。
FOC典型控制框圖如下。為了得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流大小等信息作為反饋，首先需要采集電機(jī)相電流，對其進(jìn)行一系列的數(shù)學(xué)變換和估算算法后得到解耦了的易用控制的反饋量。然后，根據(jù)反饋量與目標(biāo)值的誤差進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)，最終輸出3相正弦波驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動。
FOC按照電機(jī)有無傳感器來區(qū)分可以分為有傳感器FOC和無傳感器FOC。
對于有傳感器FOC，由于電機(jī)的傳感器（一般為編碼器）能反饋電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息，因此在控制中可以不使用位置估算算法，控制起來相對無傳感器FOC簡單，但是對帶傳感器的電機(jī)應(yīng)用來說，往往對控制性能要求較高。
對于無傳感器FOC，由于電機(jī)不帶任何傳感器，因此不能通過簡單讀取傳感器的測量值來得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息，所以在控制中需要通過采集電機(jī)相電流，使用位置估算算法來計算轉(zhuǎn)子位置。雖然無感FOC的控制難度較大，但是它可以避免傳感器故障的風(fēng)險，并且省去了傳感器的成本，同時簡化了電機(jī)與驅(qū)動板間的布線。目前，無感FOC多應(yīng)用在風(fēng)機(jī)類的場合中。
深度剖析無刷電調(diào)以及FOC控制難點(diǎn)
為了更好的了解無刷電機(jī)的控制方式，我們準(zhǔn)備了一臺無人機(jī)進(jìn)行拆解，將會對它的電機(jī)進(jìn)行一個深度剖析。 |
