无刷直流电机如何控制

本文图片来源 ：Portescap　　“高功率无刷电机必须由PWM控制，并要求微控制器提供启动和控制功能那您了解PWM 在无刷直流电机控制中的作用吗?　”　　当选择或开发使用脉宽调制(PWM)驱动无刷直流电机的电子设备时，运动控制系统设计人员经常会面临挑战。

注意一些基本的物理现象，可以避免意外的性能问题本文为PWM驱动器与无刷直流电机配合使用提供了通用指导　　无刷直流电机的换向　　有刷直流电机使用机械换向，无刷直流电机与此不同，采用电子换向这意味着电机的相位，根据转子相对于定子的位置依次通电和断电。

对于三相无刷直流电机，驱动器由六个电子开关(通常为晶体管)组成，通常称为三相H 桥(图1)此配置允许三个双向输出，为电机的三相通电　　　　▎图 1 ：由六个晶体管组成的三相电机 H 桥，与三个电机相位相连。

　　按特定顺序打开和关闭晶体管，使电机各相通电，以确保定子与转子磁铁感应所产生的磁场保持最佳方向(图2)　　　　▎图 2 ：无槽无刷直流电机的横截面示意图蓝色 区域是带有两极永磁体的转子磁铁产生的磁场 由蓝色箭头表示。

橙色区域为三相绕组当电流 从 A 相流向 C 相时会产生磁场，由橙色箭头表 示，以便于简化当两个箭头对齐时，转子将旋 转驱动器变换相位(旋转定子磁场，橙色箭头)， 以确保定子和转子磁场之间尽可能保持 90 度(产 生最大扭矩)。

　　电机可以采用广泛使用的六步梯形换向驱动(图3)，也可以通过操作实现更先进的矢量控制，也称为磁场定向控制(FOC)，具体取决于电子设备的复杂程度(图4)　　▎图 3 ：六步换向相电流和霍尔传感器状态　　图 4 ：使用 FOC 放大器的相电流。

　　无刷直流电机的PWM调节　　在有刷或无刷直流电机中，应用的工作点(速度和扭矩)可能会有所不同放大器的作用是改变电源电压或电流，或两者都改变，以实现期望的运动输出(图5)　　▎图 5：有刷直流电机和无刷直流电机之间的运动控制架构比较。

　　改变电压或电流通常有两种不同的方式：　　·线性放大器;　　·斩波器放大器　　线性放大器通过改变电压或电流，来调整传递给电机的功率未输送至电机的功率被耗散(图6)因此，需要一个大型散热器来耗散功率，从而增大放大器的尺寸，使其更难以集成到应用中。

　　▎图 6 ：为电机供电的线性放大器示例　　斩波放大器通过打开和关闭功率晶体管来调节电压(和电流)它的主要优点是在晶体管关闭时可以节省电源这有助于节省应用的电池寿命，减少电子设备产生的热量，并允许使用尺寸更小的电子设备。

大多数情况下，斩波放大器都使用PWM 方法　　PWM 方法包括在固定频率下改变占空比(图7)，以将电压或电流调整到期望的目标值内请注意，与其它方法相比，PWM 斩波电流的一个优点是开关频率是一个固定参数。

这使得电子设计师更容易过滤电磁噪声当PWM 晶体管占空比为100% 时，施加到电机上的电压为母线电压当晶体管占空比为50% 时，施加在电机上的平均电压为母线电压的一半当晶体管占空比为0% 时，不会向电机施加电压。

　　▎图 7 ：不同的 PWM 占空比所有工况下的频率都是相同的，而平均电压(虚线)与占空比成比例　　无刷直流电机的电感效应　　直流电机的特点是电感L、电阻R 和反电动势E 串联反电动势是由磁感应(法拉第- 楞次感应定律)产生的电压，它与施加的电压相反，并且与电机速度成正比。

图8 显示了PWM 接通和PWM 断开时的电机　　▎图 8:PWM 接通(左)和断开(右)时，直流电机的简化等效 电路图为简单起见，右侧电路对应于慢衰减模式(电机中 的电流再循环)　　现在，为了简单起见，我们不考虑反电动势。

当向R L 电路施加电压或切断电压时，电感器将阻止电流的变化向R L 电路施加电压U，电流将遵循一阶指数上升，其动态取决于由L / R 比决定的电时间常数τ(图9)在经过5 倍时间常数后，它将逐渐达到稳态值，即99.7%的U/R。

　　▎图 9:RL 电路中的电流按指数规律上升　　当R L 电路放电时，将观察到相同的指数行为实际上，无刷直流放大器具有相当高的PWM 频率，电流不容易达到稳态该频率通常高于50 k H z，因此在每个换相步骤中，有足够的周期对电流进行适当调制。

对于50k H z 的PWM 频率，关闭和打开晶体管的周期时间等于20μs考虑到六步换向，一个以40000 r p m(667H z)运行的单极对电机的一次换向时间，需要250μs这样，在一步换向期间，至少有250/20=12.5 个PWM 周期。

　　无刷直流电机的电气时间常数τ 为几百微秒因此，在每个PWM 周期内，电流将有时间作出反应但是，机械时间常数在几毫秒范围内，因此机械时间常数和电气时间常数之间的系数为10因此，当电压以典型PWM频率切换时，电机转子本身没有足够的时间响应。

几千Hz 的低PWM 频率可能会导致转子振动和可听见的噪音建议使用高于可听频率的频谱，即至少高于20 kHz　　无刷直流电机PWM 的限制　　PWM 将导致每个周期的电流上升和下降电流最小值和最大值之间的变化称为电流纹波。

高电流纹波可能会导致问题建议将其保持在尽可能低的水平电机转矩需要考虑平均电流平均电流取决于占空比，与电流纹波无关　　与有刷直流电机不同，无刷直流电机没有电刷高电流纹波对寿命本身没有影响电流波动会对电机损耗产生很大影响，产生不必要的热量。

电流纹波将产生两类损耗：　　焦耳损耗电流纹波将增加均方根(R M S)电流值，这是焦耳损耗计算中考虑的纹波将产生额外的热量，但不会增加平均电流，因此不会增加扭矩请注意，它是RMS 电流函数变化的平方　　铁损耗。

根据法拉第电磁感应定律，导电材料中磁场的变化将产生电压，然后产生被称为涡流的电流回路铁损耗与电机速度的平方和电机电流的平方成正比根据实际测量，当电流纹波较大时，产生的额外铁损耗会显著增加因此，保持电流纹波尽可能低非常重要。

　　最小化电流纹波的建议　　我们可以制定一些建议，以尽量减纹波：　　降低或调整电源电压电流纹波与电源电压成比例高电压，有助于到达需要高速或更高功率的极端工作点然而，如果应用不需要高速或高功率，则较低的电源电压将有利于降低电流纹波。

在相同负载点下，以较低电压运行也会增加占空比，这将进一步降低电流纹波务必将PWM 的占空比尽可能保持在50% 以内，这是最坏的情况　　增加PWM 频率频率越高，PWM 的周期越短;因此，电流上升的时间更短。

建议无刷直流电机的PWM 频率不低于50 kHz80 kHz 或更高的PWM 频率，更适合于电气时间常数非常小的电机　　增加电感无刷直流电机的电感值非常小增加外部电感是一个好主意，因为它们可以减缓电流的上升和下降，从而减少电流纹波。

此外，针对1 k H z 的PWM频率给出了指定的电感值由于电机电感随PWM 频率变化，在50 kH z 的典型PWM 频率下，电感可能会降低至规定值的70%　　通常通过实验确定电感的最佳值需要增加额外的电感，如图10 所示。

虽然这种解决方案可以解决当前的纹波问题，但集成附加电感可能并不容易，尤其是在空间有限的情况下因此，首先探索其它两种方案通常是明智选择　　▎图 10 ：带有额外线路电感的无刷电机　　PWM 具有许多优点，是无刷直流电机中应用最广泛的解决方案。

设置适当的PWM 电压，使用较高的PWM 频率，将有助于减少纹波，并可以避免使用额外的电感得益于现在电子元件较低的成本，使得采用高PWM 频率成为一种简单的解决方案　　当涉及电子设备的尺寸和重量时(例如嵌入式电子设备的便携式设备)，或者当电池寿命是一个关键指标时(额外电感内阻的焦耳损耗所消耗的额外能量)，电气设计师在开发运动控制系统时应考虑这些参数。

　　关键概念：　　■ 审查无刷直流电机的PWM调节　　■ 了解无刷直流电机PWM的限制　　思考一下：　　您是否正在解决选择或开发使用PWM驱动无刷直流电机的电子设备所面临的挑战?免责声明：本文来源：[中国传动网]的所有文字、图片、音视和视频文件，版权均为中国传动网(www.chuandong.com)独家所有。

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