基于XC866的直流無刷電機簡易正弦波控制

前言

　　隨著控制技術的發展以及社會對節能要求的提高，直流無刷電機作為一種新型、高效率的電機得到了廣泛的應用。傳統的直流無刷電機采用方波控制方式，控制簡單，容易實現，同時存在轉矩脈動、換相噪聲等問題，在一些對噪聲有要求的應用領域存在局限性。針對這些應用，采用正弦波控制可以很好的解決這個問題。

　　直流無刷電機的正弦波控制簡介

　　直流無刷電機的正弦波控制即通過對電機繞組施加一定的電壓，使電機繞組中產生正弦電流，通過控制正弦電流的幅值及相位達到控制電機轉矩的目的。與傳統的方波控制相比，電機相電流為正弦，且連續變化，無換相電流突變，因此電機運行噪聲低。

　　根據控制的復雜程度，直流無刷電機的正弦波控制可分為：簡易正弦波控制與復雜正弦波控制。

　　（1）簡易正弦波控制：

　　對電機繞組施加一定的電壓，使電機相電壓為正弦波，由于電機繞組為感性負載，因此電機相電流也為正弦波。通過控制電機相電壓的幅值以及相位來控制電流的相位以及幅值，為電壓環控制，實現較為簡單。

　　（2）復雜正弦波控制：

　　與簡易正弦波控制不同，復雜的正弦控制目標為電機相電流，建立電流環，通過直接控制相電流的相位與幅值達到控制電機的目的。由于電機相電流為正弦信號，因此需要進行電流的解耦操作，較為復雜，常見的為磁場定向控制（FOC）及直接轉矩控制（DTC）等。

　　本文將主要介紹簡易正弦波控制的原理及其實現。

　　簡易正弦波控制原理

　　簡易正弦波控制即通過控制電機正弦相電壓的幅值以及相位達到控制電機電流的目的。通常通過在電機端線施加一定形式的電壓來使繞組兩端產生正弦相電壓。常見的生成方式為：正弦PWM以及空間矢量PWM。由于正弦PWM原理簡單且便于實現，因此簡易正弦波控制中通常采用其作為PWM生成方式。圖1為BLDC控制結構圖，其中Ux、Uy、Uz為橋臂電壓，Ua、Ub、Uc為電機繞組的相電壓，以下對于不同種類的PWM調制方式的介紹將基于此結構圖進行。

圖1 直流無刷電機控制框圖

　　（1）三相正弦調制PWM

　　三相SPWM為最常見的正弦PWM生成方式，即對電機三個端線施加相位相差120度的正弦電壓信號，由于中性點為0，因此電機相電壓也為正弦，且相位與施加的正弦電壓相同。如圖2所示。

圖2 三相調制SPWM端線電壓

　　（2）開關損耗最小正弦PWM

　　與常見的SPWM不同，采用開關損耗最小正弦PWM時，施加在電機端線上電壓Ua、 Ub、Uc并非正弦波電壓，此時電機中心點電壓并非為0，但是電機相電壓仍然為正弦。因此此類控制方式為線電壓控制。見圖3：

圖3 開關損耗最小正弦PWM端線電壓

　　其中Ux、Uy、Uz為電機端線電壓，Ua、Ub、Uc為電機相電壓，可見相電壓相位差為120度。Ux、Uy、Uz與Ua、Ub、Uc的關系如下：

　　合并后，Ux，Uy，Uz如下：

　　可見采用開關損耗最小正弦PWM時，Ux，Uy，Uz相位差120度，且為分段函數形式，并非正弦電壓，而電機相電壓Ua、Ub、Uc仍然為正弦電壓。且在120度區內端線電壓為0，即對應的開關管常開或常關。因此與三相正弦PWM相比，開關損耗減少1/3。