基于XC866的直流無(wú)刷電機(jī)簡(jiǎn)易正弦波控制

前言

　　隨著控制技術(shù)的發(fā)展以及社會(huì)對(duì)節(jié)能要求的提高，直流無(wú)刷電機(jī)作為一種新型、高效率的電機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的直流無(wú)刷電機(jī)采用方波控制方式，控制簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、換相噪聲等問(wèn)題，在一些對(duì)噪聲有要求的應(yīng)用領(lǐng)域存在局限性。針對(duì)這些應(yīng)用，采用正弦波控制可以很好的解決這個(gè)問(wèn)題。

　　直流無(wú)刷電機(jī)的正弦波控制簡(jiǎn)介

　　直流無(wú)刷電機(jī)的正弦波控制即通過(guò)對(duì)電機(jī)繞組施加一定的電壓，使電機(jī)繞組中產(chǎn)生正弦電流，通過(guò)控制正弦電流的幅值及相位達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。與傳統(tǒng)的方波控制相比，電機(jī)相電流為正弦，且連續(xù)變化，無(wú)換相電流突變，因此電機(jī)運(yùn)行噪聲低。

　　根據(jù)控制的復(fù)雜程度，直流無(wú)刷電機(jī)的正弦波控制可分為：簡(jiǎn)易正弦波控制與復(fù)雜正弦波控制。

　?。?）簡(jiǎn)易正弦波控制：

　　對(duì)電機(jī)繞組施加一定的電壓，使電機(jī)相電壓為正弦波，由于電機(jī)繞組為感性負(fù)載，因此電機(jī)相電流也為正弦波。通過(guò)控制電機(jī)相電壓的幅值以及相位來(lái)控制電流的相位以及幅值，為電壓環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單。

　?。?）復(fù)雜正弦波控制：

　　與簡(jiǎn)易正弦波控制不同，復(fù)雜的正弦控制目標(biāo)為電機(jī)相電流，建立電流環(huán)，通過(guò)直接控制相電流的相位與幅值達(dá)到控制電機(jī)的目的。由于電機(jī)相電流為正弦信號(hào)，因此需要進(jìn)行電流的解耦操作，較為復(fù)雜，常見的為磁場(chǎng)定向控制（FOC）及直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）等。

　　本文將主要介紹簡(jiǎn)易正弦波控制的原理及其實(shí)現(xiàn)。

　　簡(jiǎn)易正弦波控制原理

　　簡(jiǎn)易正弦波控制即通過(guò)控制電機(jī)正弦相電壓的幅值以及相位達(dá)到控制電機(jī)電流的目的。通常通過(guò)在電機(jī)端線施加一定形式的電壓來(lái)使繞組兩端產(chǎn)生正弦相電壓。常見的生成方式為：正弦PWM以及空間矢量PWM。由于正弦PWM原理簡(jiǎn)單且便于實(shí)現(xiàn)，因此簡(jiǎn)易正弦波控制中通常采用其作為PWM生成方式。圖1為BLDC控制結(jié)構(gòu)圖，其中Ux、Uy、Uz為橋臂電壓，Ua、Ub、Uc為電機(jī)繞組的相電壓，以下對(duì)于不同種類的PWM調(diào)制方式的介紹將基于此結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行。

圖1 直流無(wú)刷電機(jī)控制框圖

　　（1）三相正弦調(diào)制PWM

　　三相SPWM為最常見的正弦PWM生成方式，即對(duì)電機(jī)三個(gè)端線施加相位相差120度的正弦電壓信號(hào)，由于中性點(diǎn)為0，因此電機(jī)相電壓也為正弦，且相位與施加的正弦電壓相同。如圖2所示。

圖2 三相調(diào)制SPWM端線電壓

　　（2）開關(guān)損耗最小正弦PWM

　　與常見的SPWM不同，采用開關(guān)損耗最小正弦PWM時(shí)，施加在電機(jī)端線上電壓Ua、 Ub、Uc并非正弦波電壓，此時(shí)電機(jī)中心點(diǎn)電壓并非為0，但是電機(jī)相電壓仍然為正弦。因此此類控制方式為線電壓控制。見圖3：

圖3 開關(guān)損耗最小正弦PWM端線電壓

　　其中Ux、Uy、Uz為電機(jī)端線電壓，Ua、Ub、Uc為電機(jī)相電壓，可見相電壓相位差為120度。Ux、Uy、Uz與Ua、Ub、Uc的關(guān)系如下：

　　合并后，Ux，Uy，Uz如下：

　　可見采用開關(guān)損耗最小正弦PWM時(shí)，Ux，Uy，Uz相位差120度，且為分段函數(shù)形式，并非正弦電壓，而電機(jī)相電壓Ua、Ub、Uc仍然為正弦電壓。且在120度區(qū)內(nèi)端線電壓為0，即對(duì)應(yīng)的開關(guān)管常開或常關(guān)。因此與三相正弦PWM相比，開關(guān)損耗減少1/3。