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直流無刷電機的正弦波控制簡介
直流無刷電機的正弦波控制即通過對電機繞組施加一定的電壓，使電機繞組中產(chǎn)生正弦電流，通過控制正弦電流的幅值及相位達到控制電機轉(zhuǎn)矩的目的。與傳統(tǒng)的方波控制相比，電機相電流為正弦，且連續(xù)變化，無換相電流突變，因此電機運行噪聲低。
根據(jù)控制的復(fù)雜程度，直流無刷電機的正弦波控制可分為：簡易正弦波控制與復(fù)雜正弦波控制。
（1）簡易正弦波控制：
對電機繞組施加一定的電壓，使電機相電壓為正弦波，由于電機繞組為感性負載，因此電機相電流也為正弦波。通過控制電機相電壓的幅值以及相位來控制電流的相位以及幅值，為電壓環(huán)控制，實現(xiàn)較為簡單。
（2）復(fù)雜正弦波控制：
與簡易正弦波控制不同，復(fù)雜的正弦控制目標(biāo)為電機相電流，建立電流環(huán)，通過直接控制相電流的相位與幅值達到控制電機的目的。由于電機相電流為正弦信號，因此需要進行電流的解耦操作，較為復(fù)雜，常見的為磁場定向控制（FOC）及直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）等。
本文將主要介紹簡易正弦波控制的原理及其實現(xiàn)。
簡易正弦波控制原理
簡易正弦波控制即通過控制電機正弦相電壓的幅值以及相位達到控制電機電流的目的。通常通過在電機端線施加一定形式的電壓來使繞組兩端產(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原理簡單且便于實現(xiàn)，因此簡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為電機繞組的相電壓，以下對于不同種類的PWM調(diào)制方式的介紹將基于此結(jié)構(gòu)圖進行。
圖1 直流無刷電機控制框圖
（1）三相正弦調(diào)制PWM
三相SPWM為最常見的正弦PWM生成方式，即對電機三個端線施加相位相差120度的正弦電壓信號，由于中性點為0，因此電機相電壓也為正弦，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，施加在電機端線上電壓Ua、 Ub、Uc并非正弦波電壓，此時電機中心點電壓并非為0，但是電機相電壓仍然為正弦。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為電機端線電壓，Ua、Ub、Uc為電機相電壓，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，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。
通過控制Ux，Uy，Uz的相位以及幅值即可以控制Ux，Uy，Uz，實現(xiàn)控制電流的目的。
直流無刷電機簡易正弦波控制的實現(xiàn)
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。工作原理如下：霍爾輸入信號經(jīng)過自動濾波及采樣處理，得到可靠的換相信號，此信息可被用作估算轉(zhuǎn)子角度以及轉(zhuǎn)速。速度PI調(diào)解器根據(jù)給定轉(zhuǎn)速值以及反饋轉(zhuǎn)速值計算正弦PWM的Modulation的大小。位置估算單元利用轉(zhuǎn)速以及換相信息估算轉(zhuǎn)子位置角Angle。通過超前角調(diào)整單元，補償超前角Δ，得到Angle。SPWM單元利用Modulation 以及Angle信息生成開關(guān)損耗最小SPWM，輸出到逆變單元。以下內(nèi)容介紹了各單元原理及實現(xiàn)。
圖4 系統(tǒng)框圖
開關(guān)損耗最小正弦PWM的生成
由于Ux，Uy，Uz相位相差120度，因此以Ux為例進行分析。
Ux為分段函數(shù)，
與
為正弦函數(shù)且以
對稱。僅需實現(xiàn)其中一段，另一段對稱處理即可。
的實現(xiàn)：
因此僅需要利用0-120度的正弦表即可以實現(xiàn)，即
，其中M為幅值。Uy，Uz的實現(xiàn)與Ux相似，相位差為120°。
通過控制M和x即可控制電機相電壓的幅值及相位。
開關(guān)損耗最小正弦PWM控制與霍爾位置傳感器的關(guān)系
通常直流無刷電機采用霍爾傳感器定位轉(zhuǎn)子位置，由于傳統(tǒng)控制方式為方波控制，因此3個霍爾傳感器即可滿足要求?；魻杺鞲衅鞯奈恢门c轉(zhuǎn)子反電勢之間的關(guān)系見圖5，即霍爾傳感器安裝于反電勢為30°、90°、150°、210°、270°、330°的位置。具體霍爾輸出值與霍爾的具體安裝方式相關(guān)。
圖5 BLDC霍爾傳感器輸出與反電勢之間的關(guān)系
采用開關(guān)損耗最小正弦PWM控制BLDC時，電機端線電壓與霍爾傳感器輸出之間的關(guān)系示意圖如圖6。
圖6 采用開關(guān)損耗最小正弦PWM時，端線電壓與霍爾狀態(tài)的關(guān)系
由圖2可知，采用開關(guān)損耗最小正弦PWM時電機端線電壓超前于相電壓30°，因此可得采用正弦波控制時電機相電壓與反電勢同步。
由于相電壓超前于相電流，因此相電流滯后于反電勢。
轉(zhuǎn)速計算
轉(zhuǎn)速計算依賴于霍爾傳感器，理想狀態(tài)下相鄰兩個霍爾狀態(tài)的間隔為60°，實際應(yīng)用中由于存在安裝誤差，實際間隔并非60°，會引入計算誤差。本文檔中采用一個霍爾傳感器的輸出作為轉(zhuǎn)速計算參考，如圖7所示。其中高低電平分別為180度，不會引入安裝誤差。利用此信息即可計算電機轉(zhuǎn)速。
圖7 轉(zhuǎn)速計算
計算公式如下：
。其中：f為電頻率，P為電機極對數(shù)
角度估算
與方波控制不同，正弦波控制中角度為連續(xù)變化，而BLDC中常見的3個霍爾傳感器僅僅能提供6個角度信息，即0°，60°，120°，180°，240°，300°，其他角度信息無法直接獲得。通常采用平均速度法，假設(shè)在一定時間內(nèi)電機速度平穩(wěn)，利用前次霍爾換相時的角度與速度信息插值得到其他角度信息，如圖8所示。
圖8 角度估算
，由此可見電機的轉(zhuǎn)速波動將直接影響角度計算的誤差，在方案中利用相鄰3次180°換相時間的平均值來計算轉(zhuǎn)速信息，如圖9。
圖9 多次平均法計算轉(zhuǎn)速
即
，以此減少轉(zhuǎn)速波動引起的角度誤差。
轉(zhuǎn)速PI
轉(zhuǎn)速控制采用PI調(diào)解器，輸入為轉(zhuǎn)速給定及轉(zhuǎn)速反饋，輸出為開關(guān)損耗最小正弦PWM的幅值Modulation。公式如下：
其中：
為比例增益，
為積分增益，y為PI調(diào)解器輸出。具體實現(xiàn)時，積分環(huán)節(jié)添加抗積分飽和功能，限制積分器輸出的******、最小值，同時對整個PI調(diào)解器的輸出值增加飽和限制，實現(xiàn)框圖如下。
圖10 PI調(diào)解器框圖
啟動
直流無刷電機啟動之前，轉(zhuǎn)子處于靜止?fàn)顟B(tài)，僅僅能利用霍爾傳感器得到電機的絕對位置信息，由于不存在換相，無法得到電機轉(zhuǎn)速信息，因此無法利用平均速度法計算正弦控制所需的角度信息。所以在電機啟動階段，無法直接切入正弦控制方式，在此采用方波控制方式啟動。當(dāng)電機啟動后并獲得可靠的換向信息后，即可切入正弦波控制。為了防止出現(xiàn)較大的轉(zhuǎn)速波動，需要注意切換前后電流的相位及幅值均平穩(wěn)過渡。
理想切換前后的電流波形圖11如下。
超前角調(diào)整
由前面內(nèi)容可知，霍爾傳感器的輸出反映轉(zhuǎn)子的反電勢信息，依據(jù)霍爾狀態(tài)生成的正弦波相電壓與轉(zhuǎn)子反電勢同相位。而由于電機為感性負載，因此電機相電流滯后于相電壓。即電機相電流滯后于反電勢。而霍爾******轉(zhuǎn)矩輸出時，電機相電流與反電勢同步，因此需要調(diào)整電壓相位，使生成的相電壓超前于反電勢，即超前角Δ。適當(dāng)調(diào)整Δ，可使相電流與反電勢同相位，提高輸出轉(zhuǎn)矩，提高系統(tǒng)效率。超前角的調(diào)整可通過實驗形式手動調(diào)整，或者采用一定的算法自動調(diào)整。
圖11 方波控制向正弦波控制的理想切換
實驗結(jié)果
本文提出的控制方法具體實現(xiàn)時采用Infineon的高性能 8位單片機XC866。XC866內(nèi)部集成專用電機控制單元CCU6E（提供專用BLDC控制模式）以及高性能ADC模塊，是控制直流無刷電機的理想選擇。電機為一臺額定功率35W的直流無刷風(fēng)機，極對數(shù)：4。啟動時采用方波控制，當(dāng)速度平穩(wěn)后切入正弦波控制。圖12為運行于開關(guān)損耗最小正弦PWM控制下的電機相電流。
圖12 采用開關(guān)損耗最小正弦波控制的BLDC相電流
小結(jié)
本文介紹了一種基于開關(guān)損耗最小正弦PWM的直流無刷電機正弦波控制方案，并基于Infineon高性能8位單片機XC866進行了系統(tǒng)實現(xiàn)及驗證。與傳統(tǒng)的方波控制相比，由于采用正弦波驅(qū)動技術(shù)，電機運行噪聲低，且開關(guān)損耗較SPWM減少1/3，可以很好的滿足直流無刷風(fēng)機應(yīng)用中對噪聲以及效率的要求，因此此類控制方案將有很大的應(yīng)用前景。
