复杂BLDC控制带来更高效电机应用

电子发烧友网报道（文/李宁远）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BLDC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BLDC转变。虽然BLDC有着这么多优势，但实现BLDC的控制是相对较难的。
 
BLDC控制的实现
 
从工作原理上来看，BLDC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BLDC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BLDC，需要BLDC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BLDC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BLDC，硬件配置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。
 
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BLDC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BLDC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BLDC MCU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，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BLDC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FOC。
 
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。
 
小结
 
总的来看，BLDC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，BLDC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BLDC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。