無刷直流電機是在有刷直流電動機的基礎上發展來的,具有無極調速、調速範圍廣、過載能力強、線性度好、壽命長、體積小、重量輕、出力大等優點,解決了有刷電機存在的一系列問題,廣泛應用于工業設備、儀器儀表、家用電器、機器人、醫療設備等各個領域。由于無刷電機沒有電刷進行自動換向,因此需要使用電子換向器進行換向。無刷直流電機驅動器實現的就是這個電子換向器的功能。

目前,主流的無刷直流電機的控制方式有3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。那麼這3種控制方式都各有什麼優缺點呢?

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轉子的位置,然後根據轉子的位置在360°的電氣周期内,進行6次換向(每60°換向一次)。每個換向位置電機輸出特定方向的力,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。

方波控制方式的優點是控制算法簡單、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轉速;缺點是轉矩波動大、存在一定的電流噪聲、效率達不到最大值。方波控制适用于對電機轉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,相應的電流也是正弦波電流。這種方式沒有方波控制換向的概念,或者認為一個電氣周期内進行了無限多次的換向。顯然,正弦波控制相比方波控制,其轉矩波動較小,電流諧波少,控制起來感覺比較“細膩”,但是對控制器的性能要求稍高于方波控制,而且電機效率不能發揮到最大值。

FOC控制

正弦波控制實現了電壓矢量的控制,間接實現了電流大小的控制,但是無法控制電流的方向。FOC控制方式可以認為是正弦波控制的升級版本,實現了電流矢量的控制,也即實現了電機定子磁場的矢量控制。

由于控制了電機定子磁場的方向,所以可以使電機定子磁場與轉子磁場時刻保持在90°,實現一定電流下的最大轉矩輸出。FOC控制方式的優點是:轉矩波動小、效率高、噪聲小、動态響應快;缺點是:硬件成本較高、對控制器性能有較高要求,電機參數需匹配。由于FOC的優勢明顯,目前已在很多應用上逐步替代傳統的控制方式,在運動控制行業中備受青睐。

2015-12-15

無刷直流電機常用控制方式比較

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