本帖最后由 松山归人 于 2021-7-5 10:58 编辑
作者：赵云老师（张飞实战
电子高级工程师）
01 前言
随着控制技术的发展以及社会对节能要求的提高，直流无刷电机作为一种新型、高效率的电机被得到了广泛的应用。传统的直流无刷电机采用方波控制方式，控制简单，容易实现， 同时存在转矩脉动、换相噪声等问题，在一些对噪声有要求的应用领域存在局限性。针对这些应用，采用正弦波控制可以很好的解决这个问题。
02 直流无刷电机的正弦波控制简介
直流无刷电机的正弦波控制即通过对电机绕组施加一定的电压，使电机绕组中产生正弦电流，通过控制正弦电流的幅值及相位达到控制电机转矩的目的。与传统的方波控制相比， 电机相电流为正弦，且连续变化，无换相电流突变，因此电机运行噪声低。
根据控制的复杂程度，直流无刷电机的正弦波控制可分为：简易正弦波控制与复杂正弦波控制。
简易正弦波控制：
对电机绕组施加一定的电压，使电机相电压为正弦波，由于电机绕组为感性负载，因此电机相电流也为正弦波。通过控制电机相电压的幅值以及相位来控制电流的相位以及幅值， 为电压环控制，实现较为简单。
复杂正弦波控制：
与简易正弦波控制不同，复杂的正弦控制目标为电机相电流，建立电流环，通过直接控制相电流的相位与幅值达到控制电机的目的。由于电机相电流为正弦信号，因此需要进行电流的解耦操作，较为复杂，常见的为磁场定向控制（FOC）及直接转矩控制（DTC）等。
本文将主要介绍简易正弦波控制的原理及其实现。
03 简易正弦波控制原理
简易正弦波控制即通过控制电机正弦相电压的幅值以及相位达到控制电机电流的目的。通常通过在电机端线施加一定形式的电压来使绕组两端产生正弦相电压。常见的生成方式为：正弦PWM以及空间矢量 PWM。由于正弦 PWM 原理简单且便于实现，因此简易正弦波控制中通常采用其作为PWM生成方式。图1为 BLDC 控制结构图，其中Ux、Uy、Uz 为桥臂电压，Ua、Ub、Uc 为电机绕组的相电压，以下对于不同种类的PWM调制方式的介绍将基于此结构图进行。
图1：直流无刷电机控制框图
（1）三相正弦调制 PWM
三相 SPWM 为最常见的正弦 PWM 生成方式，即对电机三个端线施加相位相差 120 度的正弦电压信号，由于中性点为 0，因此电机相电压也为正弦，且相位与施加的正弦电压相同。如图2所示。
图2：三相调制 SPWM 端线电压
（2）开关损耗最小正弦 PWM
与常见的SPWM 不同，采用开关损耗最小正弦PWM 时，施加在电机端线上电压Ua、Ub、Uc 并非正弦波电压，此时电机中心点电压并非为 0，但是电机相电压仍然为正弦。因此此类控制方式为线电压控制。见图3：
图3：开关损耗最小正弦 PWM 端线电压
其中Ux、Uy、Uz 为电机端线电压，Ua、Ub、Uc 为电机相电压，可见相电压相位差为 120度。Ux、Uy、Uz 与 Ua、Ub、Uc 的关系如下：
合并后，Ux，Uy，Uz 如下：
可见采用开关损耗最小正弦PWM 时，Ux，Uy，Uz 相位差 120 度，且为分段函数形式， 并非正弦电压，而电机相电压 Ua、Ub、Uc 仍然为正弦电压。且在 120 度区内端线电压为 0， 即对应的开关管常开或常关。因此与三相正弦 PWM 相比，开关损耗减少 1/3。
通过控制Ux，Uy，Uz 的相位以及幅值即可以控制 Ux，Uy，Uz，实现控制电流的目的。
04 总结
本篇文章给大家分享了直流无刷电机简易正弦波控制原理，它是实现正弦控制的基础，先把基础理论知识掌握之后，后面再具体实践就会更加得心应手了。
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