无刷直流电机经典换相方式

仅供个人参考 不得用于商业用途 经典换相方式——矢量控制 1、引言 你希望在你的新产品中使用无刷伺服电机吗？平时，我们可能也常碰到一些关键词，例如“梯形波式”，“正弦波式”和“矢量控制”。只有当你了解了他们的真正含义，才能在你的新设计中选择正确的产品。 在过去的十年甚至二十年中，伺服电机市场已经从有刷伺服转变成无刷伺服的市场，这主要是由无刷伺服的低维修率和高稳定性所决定的。在这十几年中，驱动部分在电路和系统方面的技术已发展的非常完善。控制方式也已经完全可以实现那些关键词所描述的功能。

大部分的高性能的伺服系统都采用一个内部控制环来控制力矩。这个内部的力矩环通过和外部的速度环和位置环的配合以达到不同的控制效果。外部控制环的设计是与匹配的电机没有关系的，而内部的力矩环的设计则与所匹配的电机的性能息息相关。

有刷电机的力矩控制是非常简单的，因为有刷电机自身可完成换相工作。所输出的力矩是和有刷电机两极输入的直流电压成正比的。力矩也可通过P-I控制回路轻松地得到控制。P-I控制回路的主要功能就是通过检测电机实际电流和控制电流之间的偏差，实时地调整电机的输入电压。

图1 由于无刷电机自身没有换相功能，所以相对应的控制方式就比较复杂。无刷电机有三组线圈，有别于有刷电机的两组线圈。为了获得有效的力矩，无刷电机的三组线圈必须根据转子的实际位置进行相互独立的控制。这种驱动方式就充分地说明了对无刷电机控制的复杂性。

2、无刷电机基础 简单来说，无刷电机主要由旋转的永磁体（转子）和三组均匀分布的线圈（定子）组成，线圈包围着定子被固定在外部。电流流经线圈产生磁场，三组磁场相互叠加形成一个矢量磁场。通过分别控制三组线圈上的电流大小，我们可以使定子产生任意方向和大小的磁场。同时，通过定子和转子磁场之间的相互吸引和排斥，力矩便可自由地得到控制。 仅供个人参考 不得用于商业用途 图2 对于转子旋转的任意角度，定子都存在着一个最优化的磁场方向，能产生最大的力矩；同样，定子也能产生一个无力矩输出的磁场方向。简单地说，如果定子生成的磁场和转子永磁体的磁场方向一致，电机就不会输出任何力矩。在这种情况下，两个磁场还是存在相互的作用力的，但由于这个力的方向和转子旋转轴方向一致，所以，两个磁场只产生对轴承的压力，没有产生任何的旋转力。另一方面，如果定子产生的磁场方向正交于转子的磁场方向，这就会产生一个力让转子产生转动，而且这也就是产生最大力矩的位置。

定子产生的任意方向及大小的磁场可以被分解成平行和垂直于转子磁场方向的两个分量。这样，相互正交的磁场产生旋转力，而相互平行的磁场产生的便是对轴承的压力。出于这个原因，一个高效的无刷电机驱动的功能就是减少相互平行的磁场和让相互正交的磁场最大化。

图3 仅供个人参考

不得用于商业用途 为了便于对控制系统进行建模和分析的需要，我们按照惯例主要对线圈电流进行控制，而不是去控制定子的磁场。因为我们可以非常容易地检测电机的电流，而磁场（实际的磁通量）却很难得到。

在无刷电机中，流经三组线圈的电流直接产生了定子的磁场。由于这三组线圈被人为的按照相互120度角度差来安装的，所以三组线圈所产生的磁场也存在相互120度的角度差。而这三个磁场相互叠加便产生了定子的磁场。

为了对流经定子线圈产生的磁场进行建模，我们便引入了“空间电流矢量”的概念。固定线圈的空间电流矢量具有一个固定的磁场方向，这完全由通过线圈的磁通大小和流经线圈的电流相互作用决定的。这样，我们就可以用空间电流矢量来表征定子的磁场，这个空间电流矢量也就是三组线圈所产生的电流矢量的空间叠加。解释空间电流矢量的一个直观方式就是，我们可以假设定子仅仅由一组线圈构成，而流经这组线圈的电流所产生的磁场和前面的三组线圈产生的叠加磁场是一致的。

图4 和定子磁场一样，定子的空间电流矢量也可以被分解成垂直和平行于转子磁体轴方向的两个分量。垂直方向的电流分量所产生磁场正交于转子的磁场，这就产生了旋转力矩。而平行于转子磁轴方向的电流分量，所产生的磁场与转子磁场一致，就不会产生任何的力矩。所以，一个好的控制算法就需要使这个平行于转子磁轴方向的电流分量最小化，因为，这个电流分量只会使电机产生多余的热量，并加剧轴承的磨损。我们需要控制线圈的电流，以使垂直于转子磁轴方向的电流分量达到最大。由此而得到的电机力矩和这个电流分量的大小成比例。

为了有效地获得持续的平稳的力矩，我们就需要一个理想的持续稳定的磁场，以产生一个稳定的定子空间电流矢量，而且这个磁场需要实时地跟随仅供个人参考 不得用于商业用途 转子的旋转并与其磁场保持永远的垂直。从转子的旋转方式来看，定子的空间电流矢量在数值上应该是一个稳定值。所以在电机旋转过程中，定子的空间电流矢量表征出来的应该是一个圆环。由于定子的电流矢量是由三组线圈产生的电流分量相互叠加而成，而且这三组线圈在物理结构上是相互间隔120度的，所以电机的电流矢量应该是三组理想状态的弦波信号相互叠加而成，同时，这三组弦波信号之间也存在120度的相位角。

图5 为了使与转子磁场同向的定子电流矢量最小化（为零）且垂直的磁场最大化，定子线圈内的弦波电流需要随着转子的转动角度实时地进行相位调整。为了达到这种理想状态，我们已经通过各种控制方式，在对无刷电机的控制上获得了不同层度的成功。

３、梯形波式换相 控制直流无刷电机最简单的一种方式就是所谓的“梯形波式”换相。在这种方案中，我们每次只控制一对电机线圈中的电流，而第三路线圈在电路上一直与电源不接触。安装在电机内部的霍尔信号每隔60度角检测一次，并将检测到的结果通过数字信号反馈给电机的控制器部分。由于在梯形波换相的情况下，电机只有两组线圈通以相同的电流，而第三组线圈电流为零，所以这种检测方式在电机旋转一圈中只能检测到六个方向的电流矢量。在电机旋转过程中，电机电流每60度改变一次，所以每个电流矢量只能标定左右30度范围之内的电流。电流的波形从零阶跃式跳变到正向最大电流，然后再为零，再变为负向最大电流。在这种情况下，电机电流在六个区域内有规律地跳变，使得电机可以近似平滑地运转。 仅供个人参考 不得用于商业用途 图6 请看图7，这是无刷电机驱动的梯形波控制方式的框架图。这里采用了一个PI控制回路来对电流进行控制。我们用实际测量的电流和需求电流进行比较，得到一个偏差信号。这个偏差信号再经由积分和放大而产生一个输出的纠偏值，这个纠偏值就是用来减少误差的。这个由P-I控制回路产生的纠偏值随后经过PWM整定，再提供给输出桥路。这个过程的目的就是为了保证任意线圈中的电流保持稳定的状态。

换相与电流控制部分没有任何的联系。电机中的霍尔传感器产生的位置信号只是用来选择哪一对线圈对应的输出桥路需要通以电流，而其他桥路则保持无电流状态。电流感应回路主要用来实时地检测通电线圈的电流，并将信号反馈到电流控制回路中。 仅供个人参考

不得用于商业用途 图7无刷电机驱动的梯形波控制方式框架图 虽然说梯形波换相的控制方式可以满足许多不同的应用控制，但它仍然存在一些缺陷。因为在这种换相方式下，电流矢量只能表示六个非连续的方向，它不能表征任意30度角内的电流变化。这就使电机的力矩以六倍于电机转动频率的状态产生15%（1-cos（30））的波动。这种电流矢量的不精确也带来了效率的损失，因为线圈上的部分电流对电机来说不能产生力矩。更为重要的是，电机每转一圈而产生的六次电流通道的切换，会产生刺耳的噪声，而且会使低速下电机的精度非常难控制。

梯形波式换相对无刷电机来说不能达到一个平滑和精确的控制，尤其是在低速运行的情况下。而弦波式换相就可以解决这些问题。

无刷电机的弦波式控制方式主要是通过同时控制三组线圈的电流，让他们在电机旋转过程中平滑地以弦波形式变化。三组线圈的电流被实时地控制以达到一个大小恒定且保持与转子磁场方向垂直的矢量。相对于梯形波式换相，这种换相方式可消除力矩的波动和换相时候的电流跳动。

在旋转过程中，为了让电机的电流更接近于平滑的弦波形式，我们就需要用一个高精度的传感器来精确测量转子的转动位置。而霍尔信号只能做出粗糙的测量，完全达不到这种高精度要求，所以我们就需要用编码器或者类似的装置来达到我们的要求。

图8是无刷电机驱动的弦波式换相的框架图。这种方式具有两路独立的电流控制环，以此来对电机的两路线圈进行实时控制。因为电机是WYE型接线，所以第三组线圈的电流与另两组线圈的电流总和大小相等，但方向相反（牛顿电流定律），因此我们不能单独地控制第三组线圈的电流。 仅供个人参考

不得用于商业用途 图８无刷电机驱动的弦波式换相框架图 因为三组线圈的电流必须被组合成一组稳定的电机旋转矢量电流，而且这三组线圈相互保持120度的角度，所以三组电流必须为弦波形式，而且保持120度的相位差。位置编码器主要用来提供两路弦波信号，而且相互间隔120度。这两路信号将和力矩控制信号相互叠加成一个放大的弦波式信号以得到对电机的控制力矩。这两路电流信号经过相位的叠加形成让电机转动的电流矢量。

两路电机线圈的电流信号经过整定而得到的弦波信号将被输入到一对P-I控制器里。由于第三路线圈电流是另两路的负向叠加，所以我们无需控制它。每路P-I控制器的输出信号将被接入PWM进行调制，并通过桥路输入到电机的线圈中。第三路线圈的控制电压为另两路线圈电压的负向叠加，而这三路的控制电压依然保持120度的相位角。为了让实际输出的电流波形精确地与电流控制信号吻合，所以经过整定的电流控制矢量就必须像我们所需要的那样旋转平滑，大小稳定，并且一直保持和转子磁场方向垂直。

弦波式换相能得到梯形波式换相所不能达到的对电机的平滑控制。然而，这种理想的方式只能对电机低速运动起到非常好的平滑作用，而对于电机的高速运动则没有任何作用。因为当速度起来后，电流环控制器必须跟踪频率不断提高的弦波信号，而且还要克服振幅和频率不断提高的电机反电动势。