細說無刷直流電機如何控制？

當選擇或開發使用脈寬調制（PWM）驅動無刷直流電機的電子設備時，運動控制系統設計人員經常會面臨挑戰。注意一些基本的物理現象，可以避免意外的性能問題。本文為PWM驅動器與無刷直流電機配合使用提供了通用指導。

有刷直流電機使用機械換向，無刷直流電機與此不同，采用電子換向。這意味著電機的相位，根據轉子相對于定子的位置依次通電和斷電。對于三相無刷直流電機，驅動器由六個電子開關（通常為晶體管）組成，通常稱為三相H 橋（圖1）。此配置允許三個雙向輸出，為電機的三相通電。

▎圖 1 ：由六個晶體管組成的三相電機 H 橋，與三

個電機相位相連。

按特定順序打開和關閉晶體管，使電機各相通電，以確保定子與轉子磁鐵感應所產生的磁場保持最佳方向（圖2）。

▎圖 2 ：無槽無刷直流電機的橫截面示意圖。藍色 區域是帶有兩極永磁體的轉子。磁鐵產生的磁場 由藍色箭頭表示。橙色區域為三相繞組。當電流 從 A 相流向 C 相時會產生磁場，由橙色箭頭表 示，以便于簡化。當兩個箭頭對齊時，轉子將旋 轉。驅動器變換相位（旋轉定子磁場，橙色箭頭）， 以確保定子和轉子磁場之間盡可能保持 90 度（產 生最大扭矩）。

電機可以采用廣泛使用的六步梯形換向驅動（圖3），也可以通過操作實現更先進的矢量控制，也稱為磁場定向控制（FOC），具體取決于電子設備的復雜程度（圖4）。

▎圖 3 ：六步換向相電流和霍爾傳感器狀態。

? ?圖 4 ：使用 FOC 放大器的相電流。

在有刷或無刷直流電機中，應用的工作點（速度和扭矩）可能會有所不同。放大器的作用是改變電源電壓或電流，或兩者都改變，以實現期望的運動輸出（圖5）。

▎圖 5：有刷直流電機和無刷直流電機之間的運動控制架構比較。

改變電壓或電流通常有兩種不同的方式：

·線性放大器；

·斬波器放大器。

線性放大器通過改變電壓或電流，來調整傳遞給電機的功率。未輸送至電機的功率被耗散（圖6）。因此，需要一個大型散熱器來耗散功率，從而增大放大器的尺寸，使其更難以集成到應用中。

▎圖 6 ：為電機供電的線性放大器示例。

斬波放大器通過打開和關閉功率晶體管來調節電壓（和電流）。它的主要優點是在晶體管關閉時可以節省電源。這有助于節省應用的電池壽命，減少電子設備產生的熱量，并允許使用尺寸更小的電子設備。大多數情況下，斬波放大器都使用PWM 方法。

PWM 方法包括在固定頻率下改變占空比（圖7），以將電壓或電流調整到期望的目標值內。請注意，與其它方法相比，PWM 斬波電流的一個優點是開關頻率是一個固定參數。這使得電子設計師更容易過濾電磁噪聲。當PWM 晶體管占空比為100% 時，施加到電機上的電壓為母線電壓。當晶體管占空比為50% 時，施加在電機上的平均電壓為母線電壓的一半。當晶體管占空比為0% 時，不會向電機施加電壓。

▎圖 7 ：不同的 PWM 占空比。所有工況下的頻率都是相同的，而平均電壓（虛線）與占空比成比例。

直流電機的特點是電感L、電阻R 和反電動勢E 串聯。反電動勢是由磁感應（法拉第- 楞次感應定律）產生的電壓，它與施加的電壓相反，并且與電機速度成正比。圖8 顯示了PWM 接通和PWM 斷開時的電機。

▎圖 8:PWM 接通（左）和斷開（右）時，直流電機的簡化等效 電路圖。為簡單起見，右側電路對應于慢衰減模式（電機中 的電流再循環）。

現在，為了簡單起見，我們不考慮反電動勢。當向R L 電路施加電壓或切斷電壓時，電感器將阻止電流的變化。向R L 電路施加電壓U，電流將遵循一階指數上升，其動態取決于由L / R 比決定的電時間常數τ（圖9）。在經過5 倍時間常數后，它將逐漸達到穩態值，即99.7%的U/R。

▎圖 9:RL 電路中的電流按指數規律上升。

當R L 電路放電時，將觀察到相同的指數行為。實際上，無刷直流放大器具有相當高的PWM 頻率，電流不容易達到穩態。該頻率通常高于50 k H z，因此在每個換相步驟中，有足夠的周期對電流進行適當調制。對于50k H z 的PWM 頻率，關閉和打開晶體管的周期時間等于20μs。考慮到六步換向，一個以40000 r p m（667H z）運行的單極對電機的一次換向時間，需要250μs。這樣，在一步換向期間，至少有250/20=12.5 個PWM 周期。

無刷直流電機的電氣時間常數τ 為幾百微秒。因此，在每個PWM 周期內，電流將有時間作出反應。但是，機械時間常數在幾毫秒范圍內，因此機械時間常數和電氣時間常數之間的系數為10。因此，當電壓以典型PWM頻率切換時，電機轉子本身沒有足夠的時間響應。幾千Hz 的低PWM 頻率可能會導致轉子振動和可聽見的噪音。建議使用高于可聽頻率的頻譜，即至少高于20 kHz。

PWM 將導致每個周期的電流上升和下降。電流最小值和最大值之間的變化稱為電流紋波。高電流紋波可能會導致問題。建議將其保持在盡可能低的水平。電機轉矩需要考慮平均電流。平均電流取決于占空比，與電流紋波無關。

與有刷直流電機不同，無刷直流電機沒有電刷。高電流紋波對壽命本身沒有影響。電流波動會對電機損耗產生很大影響，產生不必要的熱量。電流紋波將產生兩類損耗：

焦耳損耗。電流紋波將增加均方根（R M S）電流值，這是焦耳損耗計算中考慮的。紋波將產生額外的熱量，但不會增加平均電流，因此不會增加扭矩。請注意，它是RMS 電流函數變化的平方。

鐵損耗。根據法拉第電磁感應定律，導電材料中磁場的變化將產生電壓，然后產生被稱為渦流的電流回路。鐵損耗與電機速度的平方和電機電流的平方成正比。根據實際測量，當電流紋波較大時，產生的額外鐵損耗會顯著增加。因此，保持電流紋波盡可能低非常重要。

我們可以制定一些建議，以盡量減紋波：

降低或調整電源電壓。電流紋波與電源電壓成比例。高電壓，有助于到達需要高速或更高功率的極端工作點。然而，如果應用不需要高速或高功率，則較低的電源電壓將有利于降低電流紋波。在相同負載點下，以較低電壓運行也會增加占空比，這將進一步降低電流紋波。務必將PWM 的占空比盡可能保持在50% 以內，這是最壞的情況。

增加PWM 頻率。頻率越高，PWM 的周期越短；因此，電流上升的時間更短。建議無刷直流電機的PWM 頻率不低于50 kHz。80 kHz 或更高的PWM 頻率，更適合于電氣時間常數非常小的電機。

增加電感。無刷直流電機的電感值非常小。增加外部電感是一個好主意，因為它們可以減緩電流的上升和下降，從而減少電流紋波。此外，針對1 k H z 的PWM頻率給出了指定的電感值。由于電機電感隨PWM 頻率變化，在50 kH z 的典型PWM 頻率下，電感可能會降低至規定值的70%。

通常通過實驗確定電感的最佳值。需要增加額外的電感，如圖10 所示。雖然這種解決方案可以解決當前的紋波問題，但集成附加電感可能并不容易，尤其是在空間有限的情況下。因此，首先探索其它兩種方案通常是明智選擇。

▎圖 10 ：帶有額外線路電感的無刷電機。

PWM 具有許多優點，是無刷直流電機中應用最廣泛的解決方案。設置適當的PWM 電壓，使用較高的PWM 頻率，將有助于減少紋波，并可以避免使用額外的電感。得益于現在電子元件較低的成本，使得采用高PWM 頻率成為一種簡單的解決方案。

當涉及電子設備的尺寸和重量時（例如嵌入式電子設備的便攜式設備），或者當電池壽命是一個關鍵指標時（額外電感內阻的焦耳損耗所消耗的額外能量），電氣設計師在開發運動控制系統時應考慮這些參數。

關鍵概念：?

■ 審查無刷直流電機的PWM調節。

■ 了解無刷直流電機PWM的限制。

思考一下：?

您是否正在解決選擇或開發使用PWM驅動無刷直流電機的電子設備所面臨的挑戰？