复杂BLDC控制带来更高效电机应用.docx

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1、复杂B1DC控制带来更高效电机应用目录1 .序言12 .B1DC控制的实现13 .六步换相控制与FOC控制24 .高效B1De的复杂控制35 .低成本高性价比方波控制46 .高成本高效率FOC先进控制57 .小结61 .序言从简单的电动工具到复杂的机器人，许多机器设备都使用无刷直流电机B1DC将电能转换为旋转运动。在低能效电机渐渐满足不了各行各业需求的今天，高能效的无刷直流电机完成对低能效电机的替代已经是大势所趋。在高效率、高扭矩、低噪音、长寿命、响应快速等优势的加持下，越来越多电动设备开始向B1DC转变。虽然B1DC有着这么多优势，但实现B1DC的控制是相对较难的。2 .B1D(空制的实现从

2、工作原理上来看，B1DC作为电机，其基本构造也是定子加转子，定子是通电的线圈，转子是永磁体。根据电磁感应原理，只要给定子上的线圈接入适当方向的电流，让产生的磁极方向与永磁体的磁极对应，就可以旋转起来。也就是说，控制电流的大小和方向，就能控制B1DC转子的旋转。对转子的旋转完成了控制还不够，因为此时还不知道转子的位置。为了控制B1DC,需要B1DC电机控制要求了解电机进行整流转向的转子位置和机制。对于闭环速度控制，有两个附加要求，即对于转子速度或电机电流以及PWM信号进行测量，以控制电机速度以及功率。如何得知转子当前的位置，分出了有感和无感两类控制策略。有感控制最无刷直流电机；直流马达：Brus

3、h1essDCmotor常见的是使用霍尔传感器，给转子位置提供最直接最有效的检测。不过有感的方案不可避免地会使电机的体积变大，需要的信号引线增多，生产成本增加。特别是在某些应用中，如果环境存在偏极端的高温高压工况，额外配置的位置传感器可能会受到影响，进而影响整个电机系统的可靠性，有系统运行失效的风险。无感的控制虽然则进一步加大了B1DC的控制难度，没有了额外的传感器,那么控制算法势必会更加复杂，同时还需要引入前馈控制、观测器等概念。但在不需要编码器等额外的传感器的情况下完成控制虽说更复杂，但无感控制也带来了更简洁的电机结构并且降低了传感器失效风险。目前我们常见的B1DC,硬件配置层面绝大多数控

4、制方式都以六个功率开关器件构成的电子换相电路搭配成全桥，控制和驱动组合，再加上位置反馈电路和电流采样电路。软件层面则是方波、正弦波控制。3 .六步换相控制与FOC控制在方波驱动里，六步换相是使用的非常多的控制手段。六步换相意为在任意时刻三相B1DC只有两相通电，另一相开路，三相两两通电，共有六种组合,以一定的顺序每60。变化一次，每360。电周期换相6次，换相发生在两个相邻状态的切换瞬间，由开关管切换完成。以此产生旋转的磁场，拉动永磁体转子随之转动。对于有感的控制方案来说，三个位置传感器每当电机每转过60个电角度，其中一个霍尔传感器就会改变状态。而对于无感的控制来说，是没有位置传感器的，那要如

5、何判断电机转子位置呢？无感需要依靠反电动势来确定，此时位置反馈电路被替代为反电动势过零检测电路。每当电机发生换向时，反电动势的电压极性发生变化，即反电动势经过零值。通过识别反电动势过零点，来识别转速位置换向的过程。不过无感的方式复杂很多，电机转速为零或较低的情况下很难检测到。六步换相是非常经典的电机控制方案，实现起来也很简单，不过方波控制存在比较大的转矩脉动，会有比较大的噪音。FOC则是一个复杂且强大的B1DC控制方法，无感FOC则进一步加大了控制难度。现在FOC、无感FOC功能几乎已成为B1DCMeU的标配，是体现控制能力的核心竞争力。也有叫做VC的说法，虽然FOC和VC二者概念上是有差异的

6、，但在大多数场景里，二者指的是同一种控制方法，即通过精确地控制磁场大小和方向实现更平稳的转矩控制、更小的噪声、更高的效率以及更高速的动态响应。目前FOC正弦波控制已在很多应用上逐步替代传统的控制方式，尤其是在运动控制行业中，其高效的特点、准确的特点优势很明显。FOC全称磁场定向控制，拆分开来磁场、定向和控制也是该技术实现的步骤。首先通过SVPWM合成矢量磁场，再通过各种检测手段测量转子位置，最后根据期望的定子磁场矢量对磁场的大小和方向进行准确控制。FOC解决了精确控制的难题，同时FOC在最高转速下正反转切换仍然能够非常顺畅，这些都是其他控制无法实现的独特优势。而且虽然绝大多数应用用开环控制就能

7、解决，但对于高性能的电机运控应用来说，闭环控制是必需的。FoC不仅提供了优良的速度、转矩输出性能，还解决了自然坐标系上实现电机速度、电流闭环负反馈控制难的问题。无感FOC,现在越来越多B1DC驱控IC上都能看到它的身影。无感FoC即在不使用额外位置传感器的情况下实现磁场定向控制。没有了额外的传感器，那么控制算法势必会更加复杂，同时还需要引入前馈控制、观测器等概念。目前常见的无感FOC会采用反电动势观测或者高频注入来实现无感FOCo二者各有利弊，各种反电动势观测鲁棒性强，在电机中高速运行场景里很常见，能非常顺畅地提供位置观测。但电机转速为零或较低的情况下反电动势太微弱，观测误差会增加，大大削弱电

8、机带载能力。高频注入现在应用得也越来越多，虽然高频注入对电机的凸极效应要求非常高，但是高频注入能带载起动并突加负载运行。4 .高效B1DC的复杂控制从工作原理上来看，B1DC作为电机，其基本构造也是定子加转子，不过其定子和转子和有刷电机是相反的。B1DC的定子是通电的线圈，转子是永磁体。那么根据电磁感应原理，只要给定子上的线圈接入适当方向的电流，让产生的磁极方向与永磁体的磁极相对应，就可以旋转起来。也就是说，控制电流的大小和方向，就能控制转子的旋转。进一步对接入电流线圈的定子进行优化，就能产生很多控制方式。B1DC的控制虽然在原理上和有刷电机相似，但实现起来却要难得多，B1DC需要复杂的控制器

9、才能将单个直流电源转换为三相电压，而有刷电机可以直接通过调节直流电压来控制。原理层面固然通俗易懂,但是真正实现起来,控制B1DC的难度还是不小的。控制电流的大小和方向就能控制转子的旋转，这里有很多控制算法的应用。然后还需要知道转子的位置，对位置的测量是确定电机何时换相所需的输入。对于转子位置的感测，又区分出有传感器和无传感器的路线。对开环控制而言，这些已经足够，但是在需要精确速度控制的场景里，加入PID闭环的控制是有必要的。对于闭环速度控制，需要对转子速度或电机电流以及PWM信号进行测量，以控制电机速度以及功率。目前的B1DC配置,硬件层面绝大多数控制方式都以六个功率开关器件构成的电子换相电路

10、搭配成全桥，控制和驱动组合，再加上位置反馈电路和电流采样电路。软件层面则是方波、正弦波控制算法。5 .低成本高性价比方波控制方波控制里最具代表性的六步换相，在传统的电调控制里使用的非常多。所谓六步换相，本质上就是复现有刷换相的过程，只是在B1DC中没有了电刷。六步换相法每360。电周期换相6次，换相发生在两个相邻状态的切换瞬间，以此产生旋转的磁场，拉动永磁体转子随之转动实现电机的控制。六步换相同样有无感和有感的控制方式，有感的控制很简单，配置三个位置传感器，每60。电周期会有传感器的状态发生改变，以此确定何时换相。那么无感怎么判断转子位置？用反电动势。在这种控制配置里，位置反馈电路被反电动势过

11、零检测电路取代。每当电机发生换向时，反电动势的电压极性发生变化，经过零值。通过识别反电动势过零点，来识别转速位置换向的过程。这种无感的六步换相方案难度比有感高，在电机转速为零或者很低的时候,这个反电动势很难检测到。需要分多步来启动电机直到反电动势能被准确检测到才能正常切换为六步控制。止匕外，反电动势的检测和电机效率息息相关。换相的时间会影响到电机效率，但检测到反电动势过零后准确到最佳电角度的时间却只能通过推断得出，而且推断算法的执行本身也需要时间。所以最佳换相时间的算法是控制里很受关注的一点。一些算法可以选择检测到过零点后立即换相，在高速的情况下这种电机的效率很高。总的来看，方波控制很实用且简

12、单，但确实存在比较大的转矩脉动，会有比较大的噪音。借助更先进的FOC控制，可以克服很多方波控制的缺点。6 .高成本高效率FOC先进控制有感的FOC通过SVPWM合成矢量磁场，再通过传感器检测手段测量转子位置，然后对磁场进行精准控制。目前随着电机控制性能要求的逐年提升，B1DCFOC控制算法目前已经确立了主导地位，这主要还是因为FoC能在最大程度上实现更高的效率、更低的振动、更小的噪音、更平稳的转矩控制以及更快的动态响应速度等精密控制目标,也是现在B1DC和PMSM最优的控制，目前FoC正弦波控制已在很多应用上替代了其他的控制方式。FOC算法的本质是矩阵变换，是复杂的数学算法，而无感FOC没有了

13、额外的传感器，进一步加大了控制难度，控制算法更为复杂。但是无感FoC也为整个电机控制带来了更为简洁的布局并降低了传感器失效的风险，而且无感FOC高频注入算法也能带来带载起动并突加负载运行的优势。过去FOC复杂的运算需要借助DSP来实现，尤其是无感F0C。现在很多芯片厂商都开发了专用于电机控制的MCU,而且也应用自家的芯片实现了FOC电机控制的相关算法，或者是将FOC控制相关的模块使用硬件的方式集成在了芯片内部来进行控制。FOC的核心源自闭环负反馈，因此其带宽是电机控制产品最重要的衡量指标之一。而代码执行时间决定了带宽，这也造成了目前市场上电机控制产品性能输出有差异的现象。国内不少厂商的B1DC

14、驱控芯片已经做得很优秀。如兆易创新针对电机驱动的GD32F407、GD32E50X系歹U,支持高动态性能FOC,可以满足多种实时通讯需求，支持多种无传感器算法，既能解决强算力高动态FOC的需求，也能兼顾成本敏感需求。国民技术的N32M41x系列也能提供各种电机控制算法在内的高竞争力MCU方案，而且还针对市场需求开发了业内领先的电机参数自动识别技术和独有的电机算法保护技术，实现高效稳定的B1DC控制。峰嵋科技则从底层架构上将芯片、电机驱动架构、电机技术三者有效结合,用算法硬件化的技术路径，在芯片架构层面实现复杂的电机驱动控制算法，形成具有自主知识产权的电机驱动控制处理器内核，旗下FT8132系列

15、表现抢眼。中微半导体近期也针对吸尘器应用，推出了以微控制器CMS32M57xx为主控的低压无感FOC应用解决方案，采用无感FOC单电阻控制方式，配置了自收敛直接闭环启动算法适应不同负载启动，亮点突出。RISC-V内核领域先楫半导体的HPM6700系列也很有特色，高主频给FOC运算带来了明显的提升，内外环（电流环和位置速度环）的执行时间表现很出色，能实现多电机同步、参数辨识等复杂电机控制算法与电流环的同步。国内还有很多在B1DC控制领域做得相当出色的厂商和产品,这里不一一列举，在低速带载、带载高速、IPM零速带载、无感器正反转切等难点上国内都有不错的解决方案。7 .小结FOC算法的铺开，以其高效

16、率优势对B1DC驱控硬件的性能要求提高了不少，成本上会高出一筹，同时还需要电机参数相匹配。不过更为复杂的FoC控制为B1DC应用带来了更高的效率和更精准的控制。在FOC已经成了各国内厂商B1DC标配的形势下，高集成度和更多的外设配置也成了B1DC控制芯片竞争的重点。总的来看，B1DC的控制虽然在原理上和有刷电机相似，但实现起来却要难的多，B1DC需要复杂的控制器才能将单个直流电源转换为三相电压，而有刷电机可以直接通过调节直流电压来控制。而且FOC控制的铺开，其高效率优势对B1DC驱控硬件的性能要求提高了不少，成本上会高出不少，同时还需要电机参数相匹配。不过复杂的控制为电机应用带来了更高的效率和更精准的控制。