直流无刷电机的正弦波控制介绍
发布日期:2023-01-02
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直流无刷电机的正弦波控制即通过对电机绕组施加一定的电压，使电机绕组中产生正弦电流，通过控制正弦电流的幅值及相位达到控制电机转矩的目的。与传统的方波控制相比，电机相电流为正弦，且连续变化，无换相电流突变，因此电机运行噪声低。
根据控制的复杂程度，直流无刷电机的正弦波控制可分为：简易正弦波控制与复杂正弦波控制。
01简易正弦波控制
对电机绕组施加一定的电压，使电机相电压为正弦波，由于电机绕组为感性负载，因此电机相电流也为正弦波。通过控制电机相电压的幅值以及相位来控制电流的相位以及幅值，为电压环控制，实现较为简单。
02复杂正弦波控制
与简易正弦波控制不同，复杂的正弦控制目标为电机相电流，建立电流环，通过直接控制相电流的相位与幅值达到控制电机的目的。由于电机相电流为正弦信号，因此需要进行电流的解耦操作，较为复杂，常见的为磁场定向控制（FOC）及直接转矩控制（DTC）等。
下面介绍简易正弦波控制的原理及其实现。
简易正弦波控制原理
简易正弦波控制即通过控制电机正弦相电压的幅值以及相位达到控制电机电流的目的。通常通过在电机端线施加一定形式的电压来使绕组两端产生正弦相电压。常见的生成方式为：正弦PWM以及空间矢量PWM。由于正弦PWM原理简单且便于实现，因此简易正弦波控制中通常采用其作为PWM生成方式。图1为BLDC控制结构图，其中Ux、Uy、Uz为桥臂电压，Ua、Ub、Uc为电机绕组的相电压，以下对于不同种类的PWM调制方式的介绍将基于此结构图进行。
图1 直流无刷电机控制框图
Part 1
三相正弦调制PWM
三相SPWM为最常见的正弦PWM生成方式，即对电机三个端线施加相位相差120度的正弦电压信号，由于中性点为0，因此电机相电压也为正弦，且相位与施加的正弦电压相同。如图2所示。
图2 三相调制SPWM端线电压
Part 2
开关损耗最小正弦PWM
与常见的SPWM不同，采用开关损耗最小正弦PWM时，施加在电机端线上电压Ua、 Ub、Uc并非正弦波电压，此时电机中心点电压并非为0，但是电机相电压仍然为正弦。因此此类控制方式为线电压控制。
其中Ux、Uy、Uz为电机端线电压，Ua、Ub、Uc为电机相电压，可见相电压相位差为120度。Ux、Uy、Uz与Ua、Ub、Uc的关系如下：
合并后，Ux，Uy，Uz如下：
可见采用开关损耗最小正弦PWM时，Ux，Uy，Uz相位差120度，且为分段函数形式，并非正弦电压，而电机相电压Ua、Ub、Uc仍然为正弦电压。且在120度区内端线电压为0，即对应的开关管常开或常关。因此与三相正弦PWM相比，开关损耗减少1/3。
通过控制Ux，Uy，Uz的相位以及幅值即可以控制Ux，Uy，Uz，实现控制电流的目的。
Part 3
空间矢量脉宽调制（SVPWM）
与SPWM不同，SVPWM施加在电机端线上电压并非等效正弦波电压，此时电机中心点电压并非为0，但电机相电压仍然为等效正弦，从而使得电机相线电流也成正弦变化规则。
三相全桥逆变器共8种开关模式，分别对应八个基本电压空间矢量U0~U7，U0和U7为零矢量，位于原点。其余6个非零矢量幅值相同，相邻矢量间隔60°。根据非零矢量所在位置将空间划分为六个扇区。空间矢量脉宽调制就是利用U0~U7的不同组合，组成幅值相同、相位不同的参考电压矢量Uref，从而使矢量轨迹尽可能逼近基准圆。
、
图3 基本空间矢量在空间的分布
图4为参考电压在第一扇区，有两个非零矢量U1U2和零矢量合成，当参考电压进入下一个扇区，采用新的相邻两个矢量与零矢量进行合成。基于矢量合成规则，在符合T1+T2 《= Tpwm条件下，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。调制度M=Uref/（Uref_max）=Uref/（√3/2 Udc）。
图4 参考电压在第一扇区矢量合成方法
由三角正弦定理可知：
θ角度的推算和前面SPWM里的方法是一样的。为了减少三角函数计算同样采用代码内置Sin三角函数表为了获得最佳的谐波性能和最小开关损耗，目前主要有7段式和5段式空间矢量合成方法。
、 对比7段式和5段式可知，两者在零矢量的分配上存在很大的区别，单个PWM周期内，5段式方法将零矢量集中插入在中间，转矩脉动大，在低频时会导致明显的走走停停不平稳现象，而7段式方法中零矢量的一半被插入在PWM周期的中间，另一半插入在PWM周期的两边，这样可以使得磁链的运转更加平稳，减少电机转矩的脉动，使得低频时特性明显好于5段式，高频时特性差异不大。但5段式方法中每个PWM周期中，总有一相桥臂的开关管状态不需要改变，而在7段式方法中，每一相桥臂的开关管都需要开关各一次，5段式比7段式开关次数减少1/3，所以5段式的开关功耗是最小的。综合来说在PWM周期达到10KHz以上，5段式更加合适。
举例：角度θ=30°，力矩百分比M=50%，PWM频率20KHz，求三相各PWM的占空比。
以上是关于直流无刷电机的正弦波控制的简要介绍。
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