無刷電機控制方法之電流控制

（本文編譯自Electronic Design）

在無刷直流電機(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繞組指令值，能夠精準(zhǔn)控制對應(yīng)繞組的通電電流。通過直接電流調(diào)節(jié)，可更精確地管控?zé)o刷直流電機的運行狀態(tài)，實現(xiàn)性能升級與能效優(yōu)化。

電流控制的核心優(yōu)勢之一，是可規(guī)避具有安全隱患的過流問題，尤其適用于電機靜止未啟動工況。無刷直流電機為實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速與快速加速特性，其線圈通常設(shè)計為低阻抗規(guī)格。若無電流控制機制，電機靜止?fàn)顟B(tài)下直接施加驅(qū)動電壓，會產(chǎn)生峰值極大的沖擊電流，造成器件損壞。

對于搭載位置控制環(huán)的電機控制器而言，電流控制還可拓寬電機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)勢的核心原因在于：電機繞組驅(qū)動電壓與繞組實際通電電流之間并非簡單線性對應(yīng)關(guān)系，實際耦合邏輯相對復(fù)雜。

為何繞組施加的電壓無法與電流形成正比關(guān)系？二者的耦合偏差源自何處？反電動勢是打破驅(qū)動電壓與繞組電流線性關(guān)系的關(guān)鍵因素。電機轉(zhuǎn)速越高，反電動勢越強，繞組實際承受的有效凈電壓便會隨之降低。電流控制器可根據(jù)工況動態(tài)補償驅(qū)動電壓，確保實際電流貼合指令設(shè)定值。

此外，線圈電感特性會導(dǎo)致電流響應(yīng)產(chǎn)生延遲；電感會抑制線圈內(nèi)部的電流突變。該延遲會限制電機的動態(tài)響應(yīng)能力，難以完成電子制造高速拾放等時序要求嚴(yán)苛的運動動作。主動式電流控制可通過短時升壓調(diào)節(jié)，加快電流上升或下降速率，有效解決這一問題。

位置控制環(huán)路中的電流控制

無刷直流電機可采用多種電流控制方案。然而，高端電機控制器（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濾波器針對電流誤差進行運算調(diào)節(jié)，電流誤差指各繞組的指令電流與實測電流之間的差值。

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，電流環(huán)路的參數(shù)整定通常簡單易行，多數(shù)運動控制設(shè)備廠商均配套提供自動整定功能。

磁場定向控制的功能特性

磁場定向控制是無刷直流電機的重要控制方式。磁場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)動三相無刷電機的標(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)過矢量分解，生成三路獨立電流指令，分別對應(yīng)電機各相繞組。隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，矢量角度同步跟進變化。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，而是通過公式C=?(A+B)計算其電壓指令，該公式遵循電流守恒原理，即流入電機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關(guān)鍵特性：隨著電機轉(zhuǎn)速升高，維持繞組指令電流的控制難度會逐漸增大。原因在于，電機轉(zhuǎn)速提升時，各繞組正弦變化電流指令的頻率也會同步升高。

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)速下會產(chǎn)生大量無用的D軸轉(zhuǎn)矩，最終導(dǎo)致電機可用轉(zhuǎn)矩下降。

磁場定向控制的控制方案（圖3）則有所不同，其電流環(huán)路運行不受電機轉(zhuǎn)速影響。該控制方式的核心關(guān)鍵為數(shù)學(xué)變換運算，可將旋轉(zhuǎn)矢量坐標(biāo)系與靜止的D、Q參考坐標(biāo)系進行相互轉(zhuǎn)換，這類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)路的磁場定向控制架構(gòu)。

磁場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，磁場定向控制具備哪些優(yōu)勢？答案是更高的極限轉(zhuǎn)速，以及電機高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)下更優(yōu)的運行效率。需要注意的是，直線無刷直流電機每秒電氣相位轉(zhuǎn)速普遍較低，因此采用磁場定向控制幾乎沒有優(yōu)勢。

從工程應(yīng)用角度來看，磁場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)部的磁場定向控制算法邏輯復(fù)雜，但該部分復(fù)雜流程通常對用戶完全屏蔽。整定磁場定向控制的電流控制參數(shù)時，依舊需要設(shè)定比例系數(shù)與積分系數(shù)，該過程一般由自動整定工具完成，絕大多數(shù)運動控制廠商都會為客戶配備此項功能。

磁場定向控制能夠提升無刷直流電機高速工況下的運行效率、降低發(fā)熱，是一項至關(guān)重要的控制技術(shù)。該方案過去屬于高端控制手段，而隨著新一代電機控制微控制器與數(shù)字信號處理器的普及，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)式無刷電機驅(qū)動場景中，磁場定向控制通常為最優(yōu)方案。

無刷直流電機的電壓模式控制

在無刷直流電機控制器的電流控制環(huán)節(jié)中，也可完全不啟用主動電流控制，該運行模式即電壓模式控制。電壓模式控制的核心優(yōu)勢在于成本低廉，通常僅需配置開關(guān)橋路即可實現(xiàn)。

電壓模式控制是否存在安全隱患？確實存在，尤其在電機啟動或堵轉(zhuǎn)工況下。若無電流控制或限流保護措施，繞組極易出現(xiàn)過流問題，進而造成電機損壞。高速專用電機的線圈電阻普遍偏低，因此該類電機在電壓模式下的過流風(fēng)險更為突出。

無刷直流電機的電壓模式控制是否具備實際應(yīng)用場景？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、高速手術(shù)鉆、電動剃須刀等設(shè)備。此類場景無需對電機轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩進行精準(zhǔn)調(diào)控，電機反電動勢及負(fù)載阻力會自然限制轉(zhuǎn)速區(qū)間。

無刷電機功率放大器

無刷直流電機控制器的最后一個核心組成部分為功率放大器。該器件通過功率開關(guān)器件調(diào)節(jié)輸出電壓，使實際電流最大程度貼合指令電流。電機放大器存在多種拓?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)的開關(guān)橋電路：可將電機繞組端完全接入電機供電電壓（圖4中標(biāo)注為高壓HV）；可將繞組接地；也可使電機繞組保持懸空斷開狀態(tài)。

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

調(diào)節(jié)脈沖寬度調(diào)制信號的占空比，可實現(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，電機繞組承受的有效電壓為24V×0.20，即4.8V。

該橋路架構(gòu)的電流檢測依靠采樣電阻實現(xiàn)（也可選用模擬霍爾傳感器）。采樣電阻會輸出與電流成正比的檢測信號（圖4中標(biāo)注為A相電流、B相電流、C相電流），每路電機繞組各對應(yīng)一路采樣信號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經(jīng)過濾波處理后，送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，供實時微控制器或數(shù)字信號處理器完成電流運算處理。

開關(guān)橋電路的設(shè)計與時序邏輯，與各電機線圈的電流檢測時序設(shè)計緊密關(guān)聯(lián)。盡管該項技術(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序配合及配套運算處理邏輯較為復(fù)雜，這里不再贅述。

結(jié)語

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