无刷直流电机方波、正弦波、FOC控制

电子

01 简介
无刷直流电机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的，具有无极调速、调速规模广、过载能力强、线性度好、寿命长、体积小、重量轻、出力大等长处，处理了有刷电机存在的一系列问题，广泛使用于工业设备、仪器仪表、家用电器、机器人、医疗设备等各个领域。因为无刷电机没有电刷进行主动换向，因而需求运用电子换向器进行换向。无刷直流电机驱动器完成的便是这个电子换向器的功用。

02 主流的无刷直流电机的控制方法
目前主要有三种：FOC（又称为矢量控制、磁场定向控制）、方波控制（也称为梯形波控制、120°控制、六步换向控制）和电压正弦波控制。那么这3种控制方法都各有什么优缺陷呢？

1. 方波控制
方波控制运用霍尔传感器或者无感估算算法取得电机转子的位置，然后依据转子的位置在360°的电气周期内，进行6次换向（每60°换向一次）。每个换向方位电机输出特定方向的力，因而可以说方波控制的位置精度是电气60°。因为在这种方法控制下，电机的相电流波形接近方波，所以称为方波控制。

方波控制方法的长处是控制算法简单、硬件成本较低，运用功能普通的控制器便能取得较高的电机转速；缺陷是转矩脉动大、存在必定的电流噪声、功率达不到最大值。方波操控适用于对电机滚动功能要求不高的场合。如下图一所示为方波控制的电流波形：

图一：方波控制电流波形

2. 一般正弦波控制

一般正弦波控制方法运用的是SVPWM波，输出的是3相正弦波电压，理论上相应的电流也是正弦波电流，但是因为没有对电流进行控制，所以电流波形并不一定是真正的正弦波。这种方法没有方波控制换向的概念，或许以为一个电气周期内进行了无限多次的换向。显然，一般正弦波控制比较方波控制，其转矩脉动较小，电流谐波少，控制起来感觉比较“细腻”，可是对控制器的功能要求稍高于方波控制，而且电机功率不能发挥到最大值。如下图二所示为一般正弦控制时对应的电流波形及调制波波形(马鞍波)。

图二：一般正弦控制时对应的电流波形及调制波波形(马鞍波)

3. FOC控制
正弦波控制完成了电压矢量的控制，可是无法控制电流的方向。FOC控制方法可以认为是正弦波控制的升级版别，完成了电流矢量的控制，也即完成了电机定子磁场的矢量控制。

因为控制了电机定子磁场的方向，所以可以使电机定子磁场与转子磁场时间保持在90°，完成必定电流下的最大转矩输出。FOC控制方法的长处是：转矩脉动小、功率高、噪声小、动态响应快；缺陷是：硬件成本较高、对控制器功能有较高要求，电机参数需匹配。下图三所示为FOC控制时电机的相电流波形。

图三：FOC控制时，电机相电流波形

03 哪种方法更适合未来的开展？
FOC是现在无刷直流电机（BLDC）和永磁同步电机（PMSM）高效控制的最佳选择。FOC精确地控制磁场方向，使得电机转矩平稳、噪声小、功率高，而且具有高速的动态响应。因为FOC的优势显着，现在已在许多使用上逐步代替传统的控制方法，在运动控制职业中备受瞩目，例如伺服控制领域。

FOC典型控制框图如下图四所示。为了得到电机转子的位置、电机转速、电流等信息作为反应，首先需求收集电机相电流，对其进行一系列的数学变换和预算算法后得到解耦了的易用控制的反应量。然后，依据反应量与目标值的误差进行动态调整，最终输出3相正弦波驱动电机转动。

图四：无传感器FOC矢量控制框图

FOC依照电机有无传感器来区分可以分为有传感器FOC和无传感器FOC。
关于有传感器FOC，因为电机的传感器（一般为霍尔传感器或编码器等）能反应电机转子的位置信息，因而在控制中可以不运用位置估算算法，控制起来相对无传感器FOC简单，可是对带传感器的电机使用来说，往往对控制功能要求较高。

关于无传感器FOC，因为电机不带任何传感器，因而不能通过简单读取传感器的测量值来得到电机转子的位置信息，所以在控制中需求通过收集电机相电流，运用位置估算算法来获取转子位置。虽然无感FOC的控制难度较大，可是它可以防止传感器损坏的危险，而且省去了传感器的本钱，一起简化了电机与驱动板之间的布线。现在，无感FOC多使用在风机、水泵类的场合中。