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无刷直流电机常用控制方式比较

2017年03月10日 10:36 次阅读

无刷直流电机是在有刷直流电动机的基础上发展来的,具有无极调速、调速范围广、过载能力强、线性度好、寿命长、体积小、重量轻、出力大等优点,解决了有刷电机存在的一系列问题,广泛应用于工业设备、仪器仪表、家用电器、机器人、医疗设备等各个领域。由于无刷电机没有电刷进行自动换向,因此需要使用电子换向器进行换向。无刷直流电机驱动器实现的就是这个电子换向器的功能。

无刷直流电机是在有刷直流电动机的基础上发展来的,具有无极调速、调速范围广、过载能力强、线性度好、寿命长、体积小、重量轻、出力大等优点,解决了有刷电机存在的一系列问题,广泛应用于工业设备、仪器仪表、家用电器、机器人、医疗设备等各个领域。由于无刷电机没有电刷进行自动换向,因此需要使用电子换向器进行换向。无刷直流电机驱动器实现的就是这个电子换向器的功能。

目前,主流的无刷直流电机的控制方式有3种:FOC(又称为矢量变频、磁场矢量定向控制)、方波控制(也称为梯形波控制、120°控制、6步换向控制)和正弦波控制。那么这3种控制方式都各有什么优缺点呢?

方波控制

方波控制使用霍尔传感器或者无感估算算法获得电机转子的位置,然后根据转子的位置在360°的电气周期内,进行6次换向(每60°换向一次)。每个换向位置电机输出特定方向的力,因此可以说方波控制的位置精度是电气60°。由于在这种方式控制下,电机的相电流波形接近方波,所以称为方波控制。

方波控制方式的优点是控制算法简单、硬件成本较低,使用性能普通的控制器便能获得较高的电机转速;缺点是转矩波动大、存在一定的电流噪声、效率达不到最大值。方波控制适用于对电机转动性能要求不高的场合。

正弦波控制

正弦波控制方式使用的是SVPWM波,输出的是3相正弦波电压,相应的电流也是正弦波电流。这种方式没有方波控制换向的概念,或者认为一个电气周期内进行了无限多次的换向。显然,正弦波控制相比方波控制,其转矩波动较小,电流谐波少,控制起来感觉比较“细腻”,但是对控制器的性能要求稍高于方波控制,而且电机效率不能发挥到最大值。

FOC控制

正弦波控制实现了电压矢量的控制,间接实现了电流大小的控制,但是无法控制电流的方向。FOC控制方式可以认为是正弦波控制的升级版本,实现了电流矢量的控制,也即实现了电机定子磁场的矢量控制。

由于控制了电机定子磁场的方向,所以可以使电机定子磁场与转子磁场时刻保持在90°,实现一定电流下的最大转矩输出。FOC控制方式的优点是:转矩波动小、效率高、噪声小、动态响应快;缺点是:硬件成本较高、对控制器性能有较高要求,电机参数需匹配。由于FOC的优势明显,目前已在很多应用上逐步替代传统的控制方式,在运动控制行业中备受青睐。



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