常見電機(jī)控制算法

常見電機(jī)控制算法

目錄

??BLDC電機(jī)控制算法.........................................................................1

1.1.BLDC電機(jī)是什么意思...................................................................1

1.2.BLDC電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)........................................................................1

1.3.BLDC電機(jī)的用途........................................................................2

1.4.BLDC電機(jī)控制介紹.....................................................................2

????BLDC電機(jī)的梯形整流換向...............................................................3

????BDLC電機(jī)的正弦整流換向...............................................................5

??AC電機(jī)算法................................................................................7

??標(biāo)量控制...............................................................................7

????步進(jìn)電機(jī)控制算法..........................................................................9

????通用DC控制算法..........................................................................10

BLDC電機(jī)控制算法

1.1.BLDC電機(jī)是什么意思

BLDC是無刷直流電機(jī)，其英文全稱為：BrushlessDirectCurrentMotor0顧名思義，就

是沒有電刷，這一點(diǎn)與有刷電機(jī)存在著本質(zhì)的區(qū)別。BLDC主要由轉(zhuǎn)子（永磁材料卜定子（線

圈繞組）和霍爾（有感、無感）組成。

BLDC的轉(zhuǎn)子是永磁體，所以無需通電，所以不需要碳刷換向。只需要給定子通不同方向

的電流即可改變磁場方向，從而使轉(zhuǎn)子在磁場作用下轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.2.BLDC電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

1、高效率，可以控制回旋力（扭矩）始終保持最大值，DC電機(jī)（有刷電機(jī)〕旋轉(zhuǎn)過程中最大

扭矩只能保持一個(gè)瞬間，無法始終保持最大值。若DC電機(jī)（有刷電機(jī)）想要得到和BLDC電機(jī)

一樣大的扭矩，只能加大它的磁鐵，這就是為什么小型BLDC電機(jī)也能發(fā)出強(qiáng)大力量的原因。

2、良好的控制性，BLDC電機(jī)可以絲毫不差的得到你所想要的扭矩、旋轉(zhuǎn)數(shù)等，BLDC

電機(jī)可以精確地反饋目標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)、扭矩等，通過精確的控制可以抑制電機(jī)的發(fā)熱和電力的消

耗。若是電池驅(qū)動(dòng)，則能通過周密的控制，延長驅(qū)動(dòng)時(shí)間。

3、耐用，電氣噪音小，DC電機(jī)（有刷電機(jī)）由于電刷和換向器之間的接觸，長時(shí)間使用會

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有損耗，接觸的部分還會產(chǎn)生火花，尤其是換向器的縫隙碰到電刷時(shí)會出現(xiàn)巨大的火花和噪

音。若不希望使用過程中產(chǎn)生噪音，會考慮采用BLDC電機(jī)。

1.3.BLDC電機(jī)的用途

高效率、多樣操控、壽命長的BLDC電機(jī)一般會用在哪些地方呢？往往被用于能夠發(fā)揮其

高效率、壽命長的特點(diǎn)，被連續(xù)使用的產(chǎn)品中。例如：家電。人們很早就開始使用洗衣機(jī)和

空調(diào)了。最近電風(fēng)扇中也開始采用BLDC電機(jī)，并成功促使消耗電力大幅度下降。正是因?yàn)樾?/p>

率高才讓消耗電力下降的。

吸塵機(jī)中也采用了BLDC電機(jī)。在某個(gè)事例中，通過變更控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)數(shù)的大幅

度上升。這個(gè)事例體現(xiàn)了BLDC電機(jī)的良好控制性。

作為重要存儲介質(zhì)的硬盤，其旋轉(zhuǎn)部分也采用了BLDC電機(jī)。由于它是需要長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)的

電機(jī)，因此耐用性很重要。當(dāng)然，它還有極力抑制電力消耗的用途。這里的高效率也和電力

的低消耗有關(guān)。

BLDC電機(jī)的用途還有很多，BLDC電機(jī)有望被應(yīng)用在更廣泛的領(lǐng)域中。BLDC電機(jī)將會在

小型機(jī)器人，尤其是在制造以外的領(lǐng)域提供服務(wù)的“服務(wù)機(jī)器人”中得到廣泛應(yīng)用。

“定位對于機(jī)器人很重要，不是應(yīng)該使用隨電脈沖數(shù)運(yùn)行的步進(jìn)電機(jī)嗎？”或許會有人

這么想。但是在力量控制方面，BLDC電機(jī)更合適。

另外，若采用步進(jìn)電機(jī)，像機(jī)器人手腕這樣的構(gòu)造要固定在某個(gè)位置需要提供相當(dāng)大的

電流。若是BLDC電機(jī)，則能配合外力只提供所需的電力，從而抑制電力的消耗。

還可用于運(yùn)輸方面。一直以來，老年人電動(dòng)車或高爾夫球車中大多采用簡單的DC電機(jī)，

但最近都開始采用具有良好控制性的高效率BLDC電機(jī)了?？梢酝ㄟ^細(xì)微的控制，延長電池的

持續(xù)時(shí)間。

BLDC電機(jī)還適用于無人機(jī)中。尤其是多軸機(jī)架的無人機(jī)，由于它是通過改變螺旋槳的旋

轉(zhuǎn)數(shù)來控制飛行姿態(tài)的，因此能夠精密控制旋轉(zhuǎn)的BLDC電機(jī)很有優(yōu)勢。

1.4.BLDC電機(jī)才空制介紹

無刷電機(jī)屬于自換流型（自我方向轉(zhuǎn)換），因此控制起來更加復(fù)雜。

BLDC電機(jī)控制要求了解電機(jī)進(jìn)行整流轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)子位置和機(jī)制。對于閉環(huán)速度控制，有兩

個(gè)附加要求，即對于轉(zhuǎn)子速度/或電機(jī)電流以及PWM信號進(jìn)行測量，以控制電機(jī)速度功率。

BLDC電機(jī)可以根據(jù)應(yīng)用要求采用邊排列或中心排列PWM信號。大多數(shù)應(yīng)用僅要求速度

變化操作，將采用6個(gè)獨(dú)立的邊排列PWM信號。這就提供了最高的分辨率。如果應(yīng)用要求服

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務(wù)器定位、能耗制動(dòng)或動(dòng)力倒轉(zhuǎn)，推薦使用補(bǔ)充的中心排列PWM信號。

為了感應(yīng)轉(zhuǎn)子位置，BLDC電機(jī)采用霍爾效應(yīng)傳感器來提供絕對定位感應(yīng)。這就導(dǎo)致了更

多線的使用和更高的成本。無傳感器BLDC控制省去了對于霍爾傳感器的需要，而是采用電機(jī)

的反電動(dòng)勢（電動(dòng)勢）來預(yù)測轉(zhuǎn)子位置。無傳感器控制對于像風(fēng)扇和泵這樣的低成本變速應(yīng)用至

關(guān)重要。在采有BLDC電機(jī)時(shí)，冰箱和空調(diào)壓縮機(jī)也需要無傳感器控制。

空載時(shí)間的插入和補(bǔ)充大多數(shù)BLDC電機(jī)不需要互補(bǔ)的PWM、空載時(shí)間插入或空載時(shí)間

補(bǔ)償?？赡軙筮@些特性的BLDC應(yīng)用僅為高性能BLDC伺服電動(dòng)機(jī)、正弦波激勵(lì)式BLDC

電機(jī)、無刷AC、或PC同步電機(jī)。

控制算法許多不同的控制算法都被用以提供對于BLDC電機(jī)的控制。典型地，將功率晶體

管用作線性穩(wěn)壓器來控制電機(jī)電壓。當(dāng)驅(qū)動(dòng)高功率電機(jī)時(shí)，這種方法并不實(shí)用。高功率電機(jī)

必須采用PWM控制，并要求一個(gè)微控制器來提供起動(dòng)和控制功能。

控制算法必須提供下列三項(xiàng)功能：

用于控制電機(jī)速度的PWM電壓

用于對電機(jī)進(jìn)整流換向的機(jī)制

????利用反電動(dòng)勢或霍爾傳感器來預(yù)測轉(zhuǎn)子位置的方法

脈沖寬度調(diào)制僅用于將可變電壓應(yīng)用到電機(jī)繞組。有效電壓與PWM占空度成正比。當(dāng)?shù)?/p>

到適當(dāng)?shù)恼鲹Q向時(shí)，BLDC的扭矩速度特性與一下直流電機(jī)相同?？梢杂每勺冸妷簛砜刂齐?/p>

機(jī)的速度和可變轉(zhuǎn)矩。

功率晶體管的換向?qū)崿F(xiàn)了定子中的適當(dāng)繞組，可根據(jù)轉(zhuǎn)子位置生成最佳的轉(zhuǎn)矩。在一個(gè)

BLDC電機(jī)中，MCU必須知道轉(zhuǎn)子的位置并能夠在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間進(jìn)行整流換向。

BLDC電機(jī)的梯形整流換向

對于直流無刷電機(jī)的最簡單的方法之一是采用所謂的梯形整流換向。

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在這個(gè)原理圖中，每一次要通過一對電機(jī)終端來控制電流，而第三個(gè)電機(jī)終端總是與電

源電子性斷開。

嵌入大電機(jī)中的三種霍爾器件用于提供數(shù)字信號，它們在60°的扇形區(qū)內(nèi)測量轉(zhuǎn)子位置,

并在電機(jī)控制器上提供這些信息。由于每次兩個(gè)繞組上的電流量相等，而第三個(gè)繞組上的電

流為零，這種方法僅能產(chǎn)生具有六個(gè)方向共中之一的電流空間矢量。隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)向，電機(jī)

終端的電流在每轉(zhuǎn)60。時(shí)，電開關(guān)一次（整流換向），因此電流空間矢量總是在90。相移的最

接近30°的位置。

TorqueyR\（\

圖2梯形控制：驅(qū)動(dòng)波形和整流處的轉(zhuǎn)矩

因此每個(gè)繞組的電流波型為梯形，從零開始到正電流再到零然后再到負(fù)電流。這就產(chǎn)生

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了電流空間矢量，當(dāng)它隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)在6個(gè)不同的方向上進(jìn)行步升時(shí)，它將接近平衡旋轉(zhuǎn)。

在像空調(diào)和冰霜這樣的電機(jī)應(yīng)用中，采用霍爾傳感器并不是一個(gè)不變的選擇。在非聯(lián)繞

組中感應(yīng)的反電動(dòng)勢傳感器可以用來取得相同的結(jié)果。

這種梯形驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)因其控制電路的簡易性而非常普通，但是它們在整流過程中卻要遭遇

轉(zhuǎn)矩紋波問題。

BDLC電機(jī)的正弦整流換向

梯形整流換向還不足以為提供平衡、精準(zhǔn)的無刷直流電機(jī)控制。這主要是因?yàn)樵谝粋€(gè)三

相無刷電機(jī)(帶有一個(gè)正統(tǒng)波反電動(dòng)勢)中所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩由下列等式來定義：

轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩=Kt[IRSin(o)+ISSin(o+120)+ITSin(o+240)]

其中：

o為轉(zhuǎn)軸的電角度

Kt為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)

IR,IS和IT為相位電流如果相位電流是正弦的：

IR=I0Sino;IS=I0Sin(+120o);IT=I0Sin(+240o)

將得到：轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩=1.5I0*Kt(一個(gè)獨(dú)立于轉(zhuǎn)軸角度的常數(shù))

正弦整流換向無刷電機(jī)控制器努力驅(qū)動(dòng)三個(gè)電機(jī)繞組，其三路電流隨著電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)而平穩(wěn)

的進(jìn)行正弦變化。選擇這些電流的相關(guān)相位，這樣它們將會產(chǎn)生平穩(wěn)的轉(zhuǎn)子電流空間矢量，

方向是與轉(zhuǎn)子正交的方向，并具有不變量。這就消除了與北形轉(zhuǎn)向相關(guān)的轉(zhuǎn)矩紋波和轉(zhuǎn)向脈

沖。

為了隨著電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，生成電機(jī)電流的平穩(wěn)的正弦波調(diào)制，就要求對于轉(zhuǎn)子位置有一個(gè)

精確有測量?；魻柶骷H提供了對于轉(zhuǎn)子位置的粗略計(jì)算，還不足以達(dá)到目的要求?；谶@

個(gè)原因，就要求從編碼器或相似器件發(fā)出角反饋。

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由于繞組電流必須結(jié)合產(chǎn)生一個(gè)平穩(wěn)的常量轉(zhuǎn)子電流空間矢量，而且定子繞組的每個(gè)定

位相距120度角，因此每個(gè)線組的電流必須是正弦的而且相移為120度。采用編碼器中的位

置信息來對兩個(gè)正弦波進(jìn)行合成，兩個(gè)間的相移為120度。然后，將這些信號乘以轉(zhuǎn)矩命令,

因此正弦波的振幅與所需要的轉(zhuǎn)矩成正比。結(jié)果，兩個(gè)正弦波電流命令得到恰當(dāng)?shù)亩ㄏ?，?/p>

而在正交方向產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)定子電流空間矢量。

正弦電流命令信號輸出一對在兩個(gè)適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)繞組中調(diào)制電流的P-I控制器。第三個(gè)轉(zhuǎn)子

繞組中的電流是受控繞組電流的負(fù)和，因此不能被分別控制。每個(gè)P-I控制器的輸出被送到一

個(gè)PWM調(diào)制器，然后送到輸出橋和兩個(gè)電機(jī)終端。應(yīng)用到第三個(gè)電機(jī)終端的電壓源于應(yīng)用到

前兩個(gè)線組的信號的負(fù)數(shù)和，適當(dāng)用于分別間隔120度的三個(gè)正弦電壓。

結(jié)果，實(shí)際輸出電流波型精確的跟蹤正弦電流命令信號，所得電流空間矢量平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)，

在量上得以穩(wěn)定并以所需的方向定位。

一般通過梯形整流轉(zhuǎn)向，不能達(dá)到穩(wěn)定控制的正弦整流轉(zhuǎn)向結(jié)果。然而，由于其在低電

機(jī)速度下效率很高，在高電機(jī)速度下將會分開。這是由于速度提高，電流回流控制器必須跟

蹤一個(gè)增加頻率的正弦信號。同時(shí)，它們必須克服隨著速度提高在振幅和頻率下增加的電機(jī)

的反電動(dòng)勢。

由于P-I控制器具有有限增益和頻率響應(yīng)，對于電流控制回路的時(shí)間變量干擾將引起相位

滯后和電機(jī)電流中的增益誤差，速度越高，誤差越大。這將干擾電流空間矢量相對于轉(zhuǎn)子的

方向，從而引起與正交方向產(chǎn)生位移。

當(dāng)產(chǎn)生這種情況時(shí)，通過一定量的電流可以產(chǎn)生較小的轉(zhuǎn)矩，因此需要更多的電流來保

持轉(zhuǎn)矩。效率降低。

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隨著速度的增加，這種降低將會延續(xù)。在某種程度上，電流的相位位移超過90度。當(dāng)產(chǎn)

生這種情況時(shí)，轉(zhuǎn)矩減至為零。通過正弦的結(jié)合，上面這點(diǎn)的速度導(dǎo)致了負(fù)轉(zhuǎn)矩，因此也就

無法實(shí)現(xiàn)。

AC電機(jī)算法

標(biāo)量控制

標(biāo)量控制(或V/Hz控制)是一個(gè)控制指令電機(jī)速度的簡單方法

指令電機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型主要用于獲得技術(shù)，因此瞬態(tài)性能是不可能實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)不具有電

流回路。為了控制電機(jī)，三相電源只有在振幅和頻率上變化。

矢量控制或磁場定向控制在電動(dòng)機(jī)中的轉(zhuǎn)矩隨著定子和轉(zhuǎn)子磁場的功能而變化，并且當(dāng)

兩個(gè)磁場互相正交時(shí)達(dá)到峰值。在基于標(biāo)量的控制中，兩個(gè)磁場間的角度顯著變化。

矢量控制設(shè)法在AC電機(jī)中再次創(chuàng)造正交關(guān)系。為了控制轉(zhuǎn)矩，各自從產(chǎn)生磁通量中生成

電流，以實(shí)現(xiàn)DC機(jī)器的響應(yīng)性。

一個(gè)AC指令電機(jī)的矢量控制與一個(gè)單獨(dú)的勵(lì)磁DC電機(jī)控制相似。在一個(gè)DC電機(jī)中，

由勵(lì)磁電流1F所產(chǎn)生的磁場能量①F與由電樞電流IA所產(chǎn)生的電樞磁通①A正交。這些磁場

都經(jīng)過去耦并且相互間很穩(wěn)定。因此，當(dāng)電樞電流受控以控制轉(zhuǎn)矩時(shí)，磁場能量仍保持不受

影響，并實(shí)現(xiàn)了更快的瞬態(tài)響應(yīng)。

三相AC電機(jī)的磁場定向控制(FOC)包括模仿DC電機(jī)的操作。所有受控變量都通過數(shù)學(xué)

變換，被轉(zhuǎn)換到DC而非AC。其目標(biāo)的獨(dú)立的控制轉(zhuǎn)矩和磁通。

磁場定向控制(FOC)有兩種方法：直接FOC:轉(zhuǎn)子磁場的方向(Rotorfluxangle)是通過磁通

觀測器直接計(jì)算得到的間接FOC:轉(zhuǎn)子磁場的方向(Rotorfluxangle)是通過對轉(zhuǎn)子速度和滑差

(slip)的估算或測量而間接獲得的。矢量控制要求了解轉(zhuǎn)子磁通的位置，并可以運(yùn)用終端電流

和電壓(采用AC感應(yīng)電機(jī)的動(dòng)態(tài)模型)的知識，通過高級算法來計(jì)算。然而從實(shí)現(xiàn)的角度看，

對于計(jì)算資源的需求是至關(guān)重要的。

可以采用不同的方式來實(shí)現(xiàn)矢量控制算法。前饋技術(shù)、模型估算和自適應(yīng)控制技術(shù)都可

用于增強(qiáng)響應(yīng)和穩(wěn)定性。

AC電機(jī)的矢量控制：深入了解矢量控制算法的核心是兩個(gè)重要的轉(zhuǎn)換:Clark轉(zhuǎn)換，Park

轉(zhuǎn)換和它們的逆運(yùn)算。采用Clark和Park轉(zhuǎn)換，帶來可以控制到轉(zhuǎn)子區(qū)域的轉(zhuǎn)子電流。這種

做充許一個(gè)轉(zhuǎn)子控制系統(tǒng)決定應(yīng)供應(yīng)到轉(zhuǎn)子的電壓，以使動(dòng)態(tài)變化負(fù)載下的轉(zhuǎn)矩最大化。

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Clark轉(zhuǎn)換：Clark數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換將一個(gè)三相系統(tǒng)修改成兩個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng):

7a=§W_")

2

2

其中l(wèi)a和lb正交基準(zhǔn)面的組成部分，Io是不重要的homoplanar部分

圖4三相轉(zhuǎn)子電流與轉(zhuǎn)動(dòng)參考系的關(guān)系Park轉(zhuǎn)換：Park數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換將雙向靜態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)矢量

L=ia,cos(6)+"?sin(e)

i5q=Ta,sin(6)+%?cos(e)

兩相Q,B幀表示通過Clarke轉(zhuǎn)換進(jìn)行計(jì)算，然后輸入到矢量轉(zhuǎn)動(dòng)模塊，它在這里轉(zhuǎn)動(dòng)角

0,以符合附著于轉(zhuǎn)子能量的d,q幀。根據(jù)上述公式，實(shí)現(xiàn)了角度。的轉(zhuǎn)換。

AC電機(jī)的磁場定向矢量控制的基本結(jié)構(gòu)

Clarke變換采用三相電流IA,IB以及IC,來計(jì)算兩相正交定子軸的電流Isd和Isq。這兩

個(gè)在固定座標(biāo)定子相中的電流被變換成Isd和Isq,成為Park變換d,q中的元素。其通過電機(jī)

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通量模型來計(jì)算的電流Isdjsq以及瞬時(shí)流量角0被用來計(jì)算交流感應(yīng)電機(jī)的電動(dòng)扭矩。

ParkTiwv

-----o

圖5矢量控制交流電機(jī)的基本原理這些導(dǎo)出值與參考值相互比較，并由PI控制器更新。

表電動(dòng)機(jī)標(biāo)里控制和矢里控制的比較：

控制參數(shù)V/Hz控制矢里控制無傳感港矢里控制

速度調(diào)節(jié)1%0.001%0.05%

轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)Poor+/-2%+/-5%

電機(jī)模型不要求要求要求精確的模型

MCU處理功率低高高+DSP

基于矢量的電機(jī)控制的一個(gè)固有優(yōu)勢是，可以采用同一原理，選擇適合的數(shù)學(xué)模型去分

別控制各種類型的AGPM-AC或者BLDC電機(jī)。

BLDC電機(jī)的矢量控制BLDC電機(jī)是磁場定向矢量控制的主要選擇。采用了FOC的無刷電

機(jī)可以獲得更高的效率，最高效率可以達(dá)到95%,并且對電機(jī)在高速時(shí)也十分有效率。

??.步進(jìn)電機(jī)控制算法

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如下是步進(jìn)電機(jī)控制示意圖

A

步進(jìn)電機(jī)控制通常采用雙向驅(qū)動(dòng)電流，其電機(jī)步進(jìn)由按順序切換繞組來實(shí)現(xiàn)。通常這種

步進(jìn)電機(jī)有3