無(wú)刷直流電機(jī)常用控制方式比較

無(wú)刷直流電機(jī)是在有刷直流電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展來(lái)的，具有無(wú)級(jí)調(diào)速、調(diào)速范圍廣、過(guò)載能力強(qiáng)、線性度好、壽命長(zhǎng)、體積小、重量輕、出力大等優(yōu)點(diǎn)，解決了有刷電機(jī)存在的一系列問(wèn)題，廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備、儀器儀表、家用電器、機(jī)器人、醫(yī)療設(shè)備等各個(gè)領(lǐng)域。由于無(wú)刷電機(jī)沒(méi)有電刷進(jìn)行自動(dòng)換向，因此需要使用電子換向器進(jìn)行換向。無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)的就是這個(gè)電子換向器的功能。

目前，主流的無(wú)刷直流電機(jī)的控制方式有3種：方波控制（也稱為梯形波控制、120°控制、6步換向控制），正弦波控制和FOC控制（又稱為矢量變頻、磁場(chǎng)矢量定向控制）。那么這3種控制方式都各有什么優(yōu)缺點(diǎn)呢？

方波控制

方波控制使用霍爾傳感器或者無(wú)感估算算法獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，然后根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置在360°的電氣周期內(nèi)，進(jìn)行6次換向（每60°換向一次）。每個(gè)換向位置電機(jī)輸出特定方向的力，因此可以說(shuō)方波控制的位置精度是電氣60°。由于在這種方式控制下，無(wú)刷直流電機(jī)的相電流波形接近方波，所以稱為方波控制。

方波控制方式的優(yōu)點(diǎn)是控制算法簡(jiǎn)單、硬件成本較低，使用性能普通的控制器便能獲得較高的電機(jī)轉(zhuǎn)速；缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大、存在一定的電流噪聲、效率達(dá)不到最大值。方波控制適用于對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)性能要求不高的場(chǎng)合。

正弦波控制

正弦波控制方式使用的是SVPWM波，輸出的是3相正弦波電壓，相應(yīng)的電流也是正弦波電流。這種方式?jīng)]有方波控制換向的概念，或者認(rèn)為一個(gè)電氣周期內(nèi)進(jìn)行了無(wú)限多次的換向。顯然，正弦波控制相比方波控制，其轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較小，電流諧波少，控制起來(lái)感覺(jué)比較“細(xì)膩”，但是對(duì)控制器的性能要求稍高于方波控制，而且電機(jī)效率不能發(fā)揮到最大值。

FOC控制

正弦波控制實(shí)現(xiàn)了電壓矢量的控制，間接實(shí)現(xiàn)了電流大小的控制，但是無(wú)法控制電流的方向。FOC控制方式可以認(rèn)為是正弦波控制的升級(jí)版本，實(shí)現(xiàn)了電流矢量的控制，也即實(shí)現(xiàn)了電機(jī)定子磁場(chǎng)的矢量控制。

由于控制了電機(jī)定子磁場(chǎng)的方向，所以可以使電機(jī)定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)時(shí)刻保持在90°，實(shí)現(xiàn)一定電流下的最大轉(zhuǎn)矩輸出。FOC控制方式的優(yōu)點(diǎn)是：轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小、效率高、噪聲小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；缺點(diǎn)是：硬件成本較高、對(duì)控制器性能有較高要求，電機(jī)參數(shù)需匹配。由于FOC的優(yōu)勢(shì)明顯，目前已在很多應(yīng)用上逐步替代傳統(tǒng)的控制方式，在運(yùn)動(dòng)控制行業(yè)中備受青睞。