無(wú)刷電機(jī)控制方法之電流控制

（本文編譯自Electronic Design）

在無(wú)刷直流電機(jī)(BLDC)系統(tǒng)中，電流控制器承擔(dān)著核心關(guān)鍵作用：它確保換相模塊輸出的各電機(jī)繞組指令值，能夠精準(zhǔn)控制對(duì)應(yīng)繞組的通電電流。通過(guò)直接電流調(diào)節(jié)，可更精確地管控?zé)o刷直流電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)性能升級(jí)與能效優(yōu)化。

電流控制的核心優(yōu)勢(shì)之一，是可規(guī)避具有安全隱患的過(guò)流問(wèn)題，尤其適用于電機(jī)靜止未啟動(dòng)工況。無(wú)刷直流電機(jī)為實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速與快速加速特性，其線圈通常設(shè)計(jì)為低阻抗規(guī)格。若無(wú)電流控制機(jī)制，電機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)下直接施加驅(qū)動(dòng)電壓，會(huì)產(chǎn)生峰值極大的沖擊電流，造成器件損壞。

對(duì)于搭載位置控制環(huán)的電機(jī)控制器而言，電流控制還可拓寬電機(jī)位置控制的有效帶寬，降低位置調(diào)控的控制難度。產(chǎn)生該優(yōu)勢(shì)的核心原因在于：電機(jī)繞組驅(qū)動(dòng)電壓與繞組實(shí)際通電電流之間并非簡(jiǎn)單線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)際耦合邏輯相對(duì)復(fù)雜。

為何繞組施加的電壓無(wú)法與電流形成正比關(guān)系？二者的耦合偏差源自何處？反電動(dòng)勢(shì)是打破驅(qū)動(dòng)電壓與繞組電流線性關(guān)系的關(guān)鍵因素。電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，反電動(dòng)勢(shì)越強(qiáng)，繞組實(shí)際承受的有效凈電壓便會(huì)隨之降低。電流控制器可根據(jù)工況動(dòng)態(tài)補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)電壓，確保實(shí)際電流貼合指令設(shè)定值。

此外，線圈電感特性會(huì)導(dǎo)致電流響應(yīng)產(chǎn)生延遲；電感會(huì)抑制線圈內(nèi)部的電流突變。該延遲會(huì)限制電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，難以完成電子制造高速拾放等時(shí)序要求嚴(yán)苛的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作。主動(dòng)式電流控制可通過(guò)短時(shí)升壓調(diào)節(jié)，加快電流上升或下降速率，有效解決這一問(wèn)題。

位置控制環(huán)路中的電流控制

無(wú)刷直流電機(jī)可采用多種電流控制方案。然而，高端電機(jī)控制器（尤其是工作在位置控制環(huán)路內(nèi)部的控制器）的行業(yè)通用標(biāo)準(zhǔn)，為比例積分（PI）電流環(huán)路控制器。比例積分控制流程如圖1所示。PI濾波器針對(duì)電流誤差進(jìn)行運(yùn)算調(diào)節(jié)，電流誤差指各繞組的指令電流與實(shí)測(cè)電流之間的差值。

圖1：比例積分電流控制環(huán)路用于調(diào)節(jié)相電流。

與位置環(huán)路類(lèi)似，必須設(shè)定比例積分濾波器的比例系數(shù)與積分系數(shù)。不過(guò)，電流環(huán)路的參數(shù)整定通常簡(jiǎn)單易行，多數(shù)運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備廠商均配套提供自動(dòng)整定功能。

磁場(chǎng)定向控制的功能特性

磁場(chǎng)定向控制是無(wú)刷直流電機(jī)的重要控制方式。磁場(chǎng)定向控制雖屬于電流控制的一種，但集成了換相功能，這一點(diǎn)與圖1所示的常規(guī)電流環(huán)路控制方式不同。

圖2展示了驅(qū)動(dòng)三相無(wú)刷電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)比例積分電流控制方案。位置環(huán)路輸出的電流指令經(jīng)過(guò)矢量分解，生成三路獨(dú)立電流指令，分別對(duì)應(yīng)電機(jī)各相繞組。隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，矢量角度同步跟進(jìn)變化。分解后的各相矢量指令隨后輸入兩路比例積分電流環(huán)路，以此將兩相繞組的實(shí)際電流穩(wěn)定維持在目標(biāo)設(shè)定值。

圖2：標(biāo)準(zhǔn)三相電流控制架構(gòu)。

第三相未采用電流環(huán)路，而是通過(guò)公式C=?(A+B)計(jì)算其電壓指令，該公式遵循電流守恒原理，即流入電機(jī)的電流必然等于流出的電流。

標(biāo)準(zhǔn)比例積分電流控制器存在一項(xiàng)關(guān)鍵特性：隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速升高，維持繞組指令電流的控制難度會(huì)逐漸增大。原因在于，電機(jī)轉(zhuǎn)速提升時(shí)，各繞組正弦變化電流指令的頻率也會(huì)同步升高。

電流環(huán)路中與頻率成正比的滯后效應(yīng)，在低速工況下影響微弱，但在高轉(zhuǎn)速下會(huì)產(chǎn)生大量無(wú)用的D軸轉(zhuǎn)矩，最終導(dǎo)致電機(jī)可用轉(zhuǎn)矩下降。

磁場(chǎng)定向控制的控制方案（圖3）則有所不同，其電流環(huán)路運(yùn)行不受電機(jī)轉(zhuǎn)速影響。該控制方式的核心關(guān)鍵為數(shù)學(xué)變換運(yùn)算，可將旋轉(zhuǎn)矢量坐標(biāo)系與靜止的D、Q參考坐標(biāo)系進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，這類(lèi)變換即克拉克變換與帕克變換。

圖3:采用D軸與Q軸電流環(huán)路的磁場(chǎng)定向控制架構(gòu)。

磁場(chǎng)定向控制方式同樣包含兩路電流環(huán)路，一路用于控制目標(biāo)Q軸轉(zhuǎn)矩，另一路用于抑制非必要的D軸轉(zhuǎn)矩。Q軸轉(zhuǎn)矩環(huán)路接收位置環(huán)路（或速度環(huán)路）控制器輸出的指令電流；D軸環(huán)路以零為控制指令，從而最大程度削弱無(wú)效的直軸轉(zhuǎn)矩分量。

相較于常規(guī)電流控制加換相的方案，磁場(chǎng)定向控制具備哪些優(yōu)勢(shì)？答案是更高的極限轉(zhuǎn)速，以及電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下更優(yōu)的運(yùn)行效率。需要注意的是，直線無(wú)刷直流電機(jī)每秒電氣相位轉(zhuǎn)速普遍較低，因此采用磁場(chǎng)定向控制幾乎沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。

從工程應(yīng)用角度來(lái)看，磁場(chǎng)定向控制的使用難度與標(biāo)準(zhǔn)比例積分電流控制基本相當(dāng)。控制器內(nèi)部的磁場(chǎng)定向控制算法邏輯復(fù)雜，但該部分復(fù)雜流程通常對(duì)用戶完全屏蔽。整定磁場(chǎng)定向控制的電流控制參數(shù)時(shí)，依舊需要設(shè)定比例系數(shù)與積分系數(shù)，該過(guò)程一般由自動(dòng)整定工具完成，絕大多數(shù)運(yùn)動(dòng)控制廠商都會(huì)為客戶配備此項(xiàng)功能。

磁場(chǎng)定向控制能夠提升無(wú)刷直流電機(jī)高速工況下的運(yùn)行效率、降低發(fā)熱，是一項(xiàng)至關(guān)重要的控制技術(shù)。該方案過(guò)去屬于高端控制手段，而隨著新一代電機(jī)控制微控制器與數(shù)字信號(hào)處理器的普及，現(xiàn)已成為通用標(biāo)準(zhǔn)功能。在高性能位置控制或速度控制的旋轉(zhuǎn)式無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)景中，磁場(chǎng)定向控制通常為最優(yōu)方案。

無(wú)刷直流電機(jī)的電壓模式控制

在無(wú)刷直流電機(jī)控制器的電流控制環(huán)節(jié)中，也可完全不啟用主動(dòng)電流控制，該運(yùn)行模式即電壓模式控制。電壓模式控制的核心優(yōu)勢(shì)在于成本低廉，通常僅需配置開(kāi)關(guān)橋路即可實(shí)現(xiàn)。

電壓模式控制是否存在安全隱患？確實(shí)存在，尤其在電機(jī)啟動(dòng)或堵轉(zhuǎn)工況下。若無(wú)電流控制或限流保護(hù)措施，繞組極易出現(xiàn)過(guò)流問(wèn)題，進(jìn)而造成電機(jī)損壞。高速專(zhuān)用電機(jī)的線圈電阻普遍偏低，因此該類(lèi)電機(jī)在電壓模式下的過(guò)流風(fēng)險(xiǎn)更為突出。

無(wú)刷直流電機(jī)的電壓模式控制是否具備實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景？盡管存在諸多局限性，但其應(yīng)用范圍仍然廣泛，例如散熱風(fēng)扇、水泵、壓縮機(jī)、高速手術(shù)鉆、電動(dòng)剃須刀等設(shè)備。此類(lèi)場(chǎng)景無(wú)需對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)及負(fù)載阻力會(huì)自然限制轉(zhuǎn)速區(qū)間。

無(wú)刷電機(jī)功率放大器

無(wú)刷直流電機(jī)控制器的最后一個(gè)核心組成部分為功率放大器。該器件通過(guò)功率開(kāi)關(guān)器件調(diào)節(jié)輸出電壓，使實(shí)際電流最大程度貼合指令電流。電機(jī)放大器存在多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中，帶橋臂電流采樣的三半橋架構(gòu)，是高性能位置控制與速度控制領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的方案。這款數(shù)控開(kāi)關(guān)式功率放大器的接線結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4：帶橋臂電流采樣的三半橋放大器。

半橋是一種具備三種工作狀態(tài)的開(kāi)關(guān)橋電路：可將電機(jī)繞組端完全接入電機(jī)供電電壓（圖4中標(biāo)注為高壓HV）；可將繞組接地；也可使電機(jī)繞組保持懸空斷開(kāi)狀態(tài)。

該橋路的通斷控制信號(hào)分為高端與低端獨(dú)立控制信號(hào)，由脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)驅(qū)動(dòng)。脈沖寬度調(diào)制信號(hào)以固定頻率運(yùn)行，中小型無(wú)刷直流電機(jī)的工作頻率通常為20kHz至100kHz，并通過(guò)改變占空比調(diào)節(jié)放大器的輸出電壓。

調(diào)節(jié)脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的占空比，可實(shí)現(xiàn)等效模擬電壓輸出控制。例如，當(dāng)供電高壓為24V，且脈沖寬度調(diào)制占空比設(shè)定為20%時(shí)，電機(jī)繞組承受的有效電壓為24V×0.20，即4.8V。

該橋路架構(gòu)的電流檢測(cè)依靠采樣電阻實(shí)現(xiàn)（也可選用模擬霍爾傳感器）。采樣電阻會(huì)輸出與電流成正比的檢測(cè)信號(hào)（圖4中標(biāo)注為A相電流、B相電流、C相電流），每路電機(jī)繞組各對(duì)應(yīng)一路采樣信號(hào)并輸送至電流控制環(huán)路。各橋臂電流傳感器的模擬輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波處理后，送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，供實(shí)時(shí)微控制器或數(shù)字信號(hào)處理器完成電流運(yùn)算處理。

開(kāi)關(guān)橋電路的設(shè)計(jì)與時(shí)序邏輯，與各電機(jī)線圈的電流檢測(cè)時(shí)序設(shè)計(jì)緊密關(guān)聯(lián)。盡管該項(xiàng)技術(shù)已有至少二十年成熟應(yīng)用歷史，但橋臂電流采樣方案的時(shí)序配合及配套運(yùn)算處理邏輯較為復(fù)雜，這里不再贅述。

結(jié)語(yǔ)

相較于傳統(tǒng)電機(jī)放大器，現(xiàn)代數(shù)字放大器性能大幅提升。結(jié)合脈沖寬度調(diào)制開(kāi)關(guān)橋路與電流采樣電阻的一體化設(shè)計(jì)，最終打造出高性價(jià)比、超高能效的功率放大裝置，可實(shí)現(xiàn)高精度電壓放大與精準(zhǔn)電流檢測(cè)。