无刷直流电机驱动电路很复杂，相关的控制、传感和反馈也是如此。本文研究了面向领域的控制技术。
作者：Qorvo系统应用工程师Shoa Zhang

有许多类型的电机有其自身的优点和缺点，但无刷直流电机（BLDC）类型以其优异的效率、高性能、长寿命以及低的电气和听觉噪声而变得普遍。如果它们有缺点的话，那就是电驱动相对复杂，通常需要高频三相120度偏移的交流功率，通过脉宽调制（PWM）来产生所需的速度和扭矩。
然而，使用无刷直流电机可能带来的可控性、效率和重量节省推动了新的集成驱动解决方案的开发，这些解决方案开拓了从工业到家用电器以及无人机和电动自行车等新应用的市场。
 
无刷直流电机基础
所有常见的电机都是通过磁场的相互作用来工作的。在无刷直流电机的情况下，通过顺序激励三个定子绕组产生的旋转场作用于转子中永磁体的静态磁场，以“拖动”它旋转。通过对每个定子绕组进行简单的“开关”励磁，驱动实现相对容易。然而，作用在转子上的力并不总是在所需的切向上——当电机旋转时，会出现周期性的径向分量，这不会对轴扭矩产生影响，只会降低效率、产生热量并引发所谓的“扭矩波动”（图1，左）。这种简单的驱动被称为六阶或“梯形”。理想的情况是使用正弦波而不是开关驱动绕组（图1，右），从定子线圈产生平稳旋转的磁场，然后控制交流励磁电流，使产生的磁场的角度始终垂直于转子磁体的磁场。
 

图1：BLDC电机六阶梯形与正弦驱动波形的比较
 
这使切向力最大化，从而使整个360度旋转的扭矩最大化，产生最小的扭矩波动和最大的效率。为了实现这一点，必须精确地知道转子的角位置，并控制定子电流，定子电流本身在任何时刻都会根据三个绕组的整体贡献产生特定的场强和方向。图2显示了一个例子——转子处于该位置，磁场沿N-S方向，如果定子磁场方向为90度，则磁体总体上会受到最大扭矩，方向为双灰色箭头。当W和V绕组的磁场在一个极性上相等时，并且来自U绕组的场在与驱动电流波形中的位置A-B相对应的另一极性中最大时，就会发生这种情况。
 

图2：转子扭矩应为切向扭矩，以获得最大效果
 
仅将正弦电压施加和控制在正确相位的三个绕组将不能提供准确的控制，因为绕组电感、反电动势和其他效应会导致产生的电流和场的相移。这就是磁场定向控制（FOC）的作用所在，通过将测量的绕组电流控制为瞬时测量的转子位置的最佳值，可动态校正定子磁场振幅和方向。
 
现场定向控制是最大扭矩的最佳选择
定子绕组电流和随之产生的磁场强度和方向可以表示为在通用静态框架中相隔120度的三个旋转矢量。如果电流I_U、I_V和I_W总是平衡的，加到零，则可以通过“Clarke”变换将其简化为两个旋转矢量振幅Iα和Iβ，在静态帧中相隔90度：
 


 
我们现在需要将这些矢量转换为旋转参考平面中的静态矢量I_D（直接）和I_D（正交），这样我们就可以将它们与转子旋转时的位置关联起来，这是使用“Park”变换来完成的，其中θ是静态Iα和Iβ框架周围的转子角度：
 


 
在稳态条件下，I_D和I_Q是恒定值，可以解释为定子绕组电流的分量，分别代表切向转矩和不需要的径向转矩。这些值现在可以用作反馈回路的输入，通常使用比例积分（PI）控制器，以最大化I_Q并将I_D最小化为零。产生的误差放大器输出V_D和V_Q通过逆Park和逆Clarke变换以及随后的脉宽调制，以驱动功率级，产生三个正弦定子绕组电流。PI控制器中的可编程增益值Kp和Ki需要分别针对瞬态响应和稳态精度进行单独优化，并且在很大程度上取决于实际电机参数，特别是绕组电阻和电感。然而，先进的FOC控制器，如Qorvo[1]的控制器，具有自动调谐功能，可以“学习”连接电机的特性。使用FOC的无刷直流电机控制器的概要如图3所示。
 

图3：使用磁场定向控制的典型无刷直流电机控制器
 
特别受益于FOC的应用是需要最小化噪声或振动、需要低谐波接触以及需要以高于标称速度运行的应用。这是在FOC中通过“场削弱”技术实现的，其中通过将电流I_D控制为负值来故意降低反电动势，从而降低有效转子磁场并允许更高的速度，但它以扭矩为代价。
 
测量转子位置和定子绕组电流
高性能FOC依赖于转子角位置和定子绕组电流的精确测量。位置可以通过各种方式确定——使用梯形驱动，一个绕组在任何时刻都没有通电，并且存在的反电动势的过零点可以用于以低成本和高精度指示位置。然而，在FOC中，所有绕组都是连续驱动的，因此使用了其他方法。“无传感器”技术根据绕组电流、电压和电机特性模型推断位置，但这不允许在高负载下轻松启动，并且需要来自控制器的大量处理能力。一种可能性是从梯形驱动开始，感应反电动势，然后在电机旋转时切换到正弦FOC。作为一种可能的基于传感器的解决方案，霍尔传感器无论如何都能解决这个问题，提供简单的接口，并允许在高负载条件下启动和更精确的扭矩控制。位置测量的其他解决方案是具有正交输出的磁旋转变压器或编码器，它们成本更高，但精度高，还可以感应旋转方向。
绕组电流的测量也可以通过不同的方式进行。最准确的方法是用电阻传感和三个ADC同时对三个绕组电流中的每一个进行采样。然而，采样的定时对于避免有噪声的PWM开关边沿至关重要。电阻器可以直接与绕组串联，以达到最终的精度，但测量的电压不是以地为基准的，并且在存在高共模波形电平的情况下很难处理，因此更好的解决方案是测量逆变器支路电流（图4，左）。对于成本敏感的应用，可以使用单个分流电阻器，有效地测量直流链路电流（图4，右）。单分路方法只需要一个ADC，但该技术有局限性——如果有源矢量持续时间小于最小测量时间，则电流测量将不准确，为了纠正这一点，可能需要“不对称”电流采样来提供更好的信号质量。
 

 
图4：无刷直流电机电流监测方法，三分路、左分路和单分路、右分路
 
无刷直流FOC控制集成解决方案
无刷直流电机梯形或磁场定向控制的所有功能都可以集成到单芯片控制器中，例如Qorvo的PAC5xxx系列，该系列基于ARM®Cortex®处理器。这些器件是高度可配置的，可满足高达3 kHz左右的电气速度。控制模式包括扭矩、速度和功率，具有“无传感器”、霍尔或正交编码器位置传感选项，同时可以使用单个或三个分流电流传感。混合梯形/FOC模式用于确保启动，以及自动调整以确定电机参数以获得最佳性能。支持磁场削弱，一系列保护功能可检测问题，如欠压、过热、失速和断相，并通过在线检测。其中一个版本甚至包括用于低功率应用的电机驱动器MOSFET，如手持设备和工具。所有功能都可以通过GUI进行配置，并通过参考固件、应用说明、编程指南、软件开发工具包和硬件评估工具包提供全面支持。
 
结论
无刷直流电机的磁场定向控制是实现最高电气和机械性能的解决方案。现在有了成本效益高的微型集成控制器，这项技术可以用于从重工业到最小的手持设备的所有应用。
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