無刷直流電機(jī)（BLDC，也稱為馬達(dá)驅(qū)動）是電機(jī)和控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)品，電調(diào)控制電機(jī)的運(yùn)行，從電流驅(qū)動角度來看，無刷直流電機(jī)可分為正弦波驅(qū)動和方波驅(qū)動。
通常，以方波驅(qū)動的電機(jī)稱為無刷直流電機(jī)（BLDC），正弦波驅(qū)動的電機(jī)則為永磁同步電機(jī)（PMSM）。
無刷直流電機(jī)，跟永磁同步電機(jī)，基本結(jié)構(gòu)相似，主要區(qū)別在于控制器電流的驅(qū)動方式不同。今天，主要為大家詳細(xì)講解下采用方波控制的無刷直流電機(jī)原理及其具體算法實(shí)現(xiàn)。
馬達(dá)驅(qū)動系統(tǒng)方波控制原理及算法
一、方波控制理論基礎(chǔ)
方波控制也叫六步控制，在一個電周期中，電機(jī)只有六種轉(zhuǎn)態(tài)，或者說定子電流有六種狀態(tài)（三相橋臂有六種開關(guān)狀態(tài)）。
每一種電流狀態(tài)都可看作合成一個方向的矢量力矩，六個矢量有規(guī)律地、一步接一步地轉(zhuǎn)換，矢量旋轉(zhuǎn)方向決定了電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向（順時針或是逆時針），電機(jī)轉(zhuǎn)子會跟著同步旋轉(zhuǎn)。
在方波控制里，主要是對兩個量進(jìn)行控制，一個是電機(jī)轉(zhuǎn)子位置對應(yīng)的開管狀態(tài)，有Hall時，通過Hall信息獲取轉(zhuǎn)子位置，無傳感器時，通過反電動勢信息獲取轉(zhuǎn)子位置，從而決定開管狀態(tài)；第二個是PWM占空比的控制，通過控制占空比的大小來控制電流大小，從而控制轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。
二、方波算法實(shí)現(xiàn)步驟
（1）Hall 方波控制：
1.讀取母線電流采樣的AD 值，計算母線電流
2.電流環(huán)計算應(yīng)該給的PWM 占空比，控制電流為給定電流大小
3. 讀取hall 狀態(tài)，根據(jù)Hall 狀態(tài)與三相橋臂開管狀態(tài)關(guān)系數(shù)組，得到相應(yīng)的開管狀態(tài)，每次hall 狀態(tài)的跳變沿及為三相橋臂狀態(tài)切換的時間點(diǎn)（也稱為換相點(diǎn)）。
4. Hall 相鄰狀態(tài)間的扇區(qū)為一個電周期的六分之一，即為60°，用定時器可記錄60°扇區(qū)所用的時間，從而計算電流頻率，從而得到電機(jī)轉(zhuǎn)速。
5. 以電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)，速度環(huán)作為外環(huán)，電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制，如Hall 方波控制框圖。對于Hall 方波控制來說，電機(jī)啟動時，就已經(jīng)知道電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，直接用hall 狀態(tài)對的矢量力矩去拉電機(jī)，就可啟動電機(jī)，并可直接進(jìn)閉環(huán)控制。
（2）BEMF 方波控制：
1.讀取母線電流采樣的AD 值，計算母線電流。
2.電流環(huán)計算應(yīng)該給的PWM 占空比，控制電流為給定電流大小
3. 保持一種開管狀態(tài)（即保持一個方向矢量定位），定位完成，然后按一定頻率改變開管狀態(tài)，并按規(guī)律提升改變頻率。到達(dá)切換電頻率，然后切換到反電動勢模式。
4. 用一個較高頻率定時器中斷讀取相比較器輸出狀態(tài)，若相比較器輸出電平發(fā)生翻轉(zhuǎn)，則說明該相反電動勢產(chǎn)生過零，此時，讀定時器D 時基計數(shù)值，保存，然后清定時器D，并配置定時器D 的比較寄存器0 的比較值，開定時器D 開始計時，直到產(chǎn)生PWMD0 中斷，在中斷中改變開關(guān)管狀態(tài)，也就是找到過零點(diǎn)延遲30°電角度再換相。
5. 以電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)，速度環(huán)作為外環(huán)，電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制，對于BEMF 方波控制來說，電機(jī)啟動時，是不知道電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，所以需要用外同步方式啟動電機(jī)，讓定子電流按給定大小和頻率拖動電機(jī)轉(zhuǎn)子跑，然后電機(jī)達(dá)到切換電頻率，就可切換到反電動勢模式跑電機(jī)，并運(yùn)行速度和電流閉環(huán)控制。 |
