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[分享] 释放三相电机的创新潜能,了解下Qorvo的磁场定向控制(FOC...

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发表于 2023-9-11 13:40:12 | 显示全部楼层 |阅读模式
超越传统有刷电机

无刷直流(BLDC)电机和永磁同步电机(PMSM)摆脱了电刷及换向器,相比有刷电机带来更高的效率和更长的寿命,因而在许多应用中越来越受到欢迎。为消除电刷和换向器,这些电机利用电子产生的旋转磁场,并通过外部电路来调节相电压及电流来实现。

此类电路固然增加了一些复杂性,但与传统有刷电机相比,BLDC和PMSM具备很大优势——对比以相同速度运行的有刷电机,其电子换向方案可将能效提升20%至30%,而且更耐用、更小、更轻、更安静。

磁场定向控制(FOC)是一种用于PMSM的控制技术,在最大限度减少转矩纹波和扩大速度工作范围方面性能优越。目前,这一技术正变得越来越流行,并开始出现在成本更高、性能更强的电动工具和白色家电中。在微控制器(MCU)上进行嵌入式编程是实现FOC相关特性和功能的常见选择,同时还能在优化整体解决方案的同时满足每个应用的要求。

本篇博文概述了Qorvo设计峰会相关网络研讨会的内容。该研讨会探讨了基于FOC的BLDC/PMSM电机设计,包括如何对微控制器芯片编程以访问并管理电机运行的示例。

磁场定向控制的基本原理

在任何有关无刷电机的讨论中,都会经常出现正弦波、梯形波和磁场定向控制等术语。理解这些术语是掌握基本概念的第一步。设计峰会的相关视频对此进行了概述,并在本章节中做简要总结。在使用电池或其它直流电源的典型电机驱动系统中,功率级提供三相交流电。如图1所示,BLDC或PMSM电机的电流驱动可基于六步梯形控制或磁场定向控制。

在任何有关无刷电机的讨论中,都会经常出现正弦波、梯形波和磁场定向控制等术语。理解这些术语是掌握基本概念的第一步。设计峰会的相关视频对此进行了概述,并在本章节中做简要总结。在使用电池或其它直流电源的典型电机驱动系统中,功率级提供三相交流电。如图1所示,BLDC或PMSM电机的电流驱动可基于六步梯形控制或磁场定向控制。

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图1:梯形控制和FOC的区别

在采用梯形控制的设计中,电流仅在两个相位中传导;在浮动相位时,则会获取传感器读数。此时,可监测反向电动势(BEMF)的值以推断转子位置。虽然BLDC电机设计通常具有较高的转矩纹波,但这种方法更简单,实施成本也更低。

PMSM电机的FOC实现在三个相位中的每一个相位均导通电流;每个相位的电流、电压和功率,与其它相位的电流、电压和功率偏移120度。这种方式最大限度地减少了转矩纹波;电机角度也连续更新。此类正弦波控制主要用于PMSM电机,需要更复杂的电子监测控制电路。交流电机的控制基本上等同于使用FOC控制直流电机。

如图2所示,转矩由电流控制环路监测和控制。来自三相逆变器的反馈信息被馈送至电流感应电路,并中继到控制回路,以保持精确的扭矩水平。电机位置模块对电压和电流值进行采样,通过一系列变换操作提供电机的角度和速度水平。

图片2.png
图2:基于FOC实现的基本组件

其他要点

前文对FOC基本原理的概述,为您展现了一个坚实的框架模型,以便更好地理解固件如何用于个别功能的配置。相关设计峰会视频对典型流程进行了更详细的解释,涵盖以下内容:

Qorvo的FOC解决方案与可用IP列表,以及对部分功能的深入介绍。

如何运行电机的分步说明,包括:

(1)硬件设置
(2)固件准备   
(3)电机参数识别——自动调谐
(4)通过GUI或调谐后的电机参数文件(.xml)操作电机
(5)调试工具及更多信息

电机控制技术的巨大进步,为充分利用BLDC/PMSM电机的效率、功率处理和可管理性并进行创新产品设计提供了大量机会。

本文转载自Qorvo半导体微信公众号
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