| 無(wú)刷電機(jī)憑借效率、低噪音和長(zhǎng)壽命等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代自動(dòng)化工業(yè)領(lǐng)域。通常無(wú)刷電機(jī)的控制方法包括無(wú)感控制、有感控制、磁場(chǎng)矢量控制（FOC）、正弦波控制、直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）、模型預(yù)測(cè)控制（MPC）幾種方式。這幾種控制策略應(yīng)用在不同的場(chǎng)景下，其實(shí)現(xiàn)的難易程度也是十分明顯。這篇文章主要聊一下我熟悉的三種控制方式——無(wú)感、有感和FOC。
無(wú)感控制，無(wú)刷電機(jī)在無(wú)轉(zhuǎn)子位置傳感器（霍爾傳感器）的情況下，通過(guò)相應(yīng)的算法和控制策略控制無(wú)刷電機(jī)的啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行。特定的算法一般采用觀測(cè)反電動(dòng)勢(shì)或者其他非直接位置傳感器。
過(guò)零檢測(cè)，無(wú)感控制的常用策略是通過(guò)檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)的變化，判斷無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置，如圖所示為無(wú)感控制的反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路。
在無(wú)刷電機(jī)換相原理中，當(dāng)無(wú)刷電機(jī)任意倆相通電的情況下，剩余的懸空相就能夠檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)。在轉(zhuǎn)子由0°轉(zhuǎn)到60°期間，反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零一次，這種操作也就是常說(shuō)的過(guò)零檢測(cè)。
當(dāng)無(wú)刷電機(jī)任意兩相通電情況下，剩余懸空相就能檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)，檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)處于零點(diǎn)位置時(shí)，轉(zhuǎn)子處于與懸空相同一方向（平行方向），即處于相位換相后移動(dòng)30°，再移動(dòng)30°角即為換相點(diǎn)。所以，在借助六個(gè)過(guò)零事件控制無(wú)刷電機(jī)，為了實(shí)現(xiàn)精確換相點(diǎn)，利用上一個(gè)換相周期的時(shí)間推算本周期30°延遲角的時(shí)間延遲。
無(wú)感控制的啟動(dòng)分為三個(gè)階段，預(yù)定位、啟動(dòng)加速、閉環(huán)控制。
1）預(yù)定位 先給某兩相通電一段時(shí)間，讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到預(yù)定的位置；通電占空比（一般30~50）和時(shí)間不要太大，易引起發(fā)熱；通電時(shí)間、占空比需要依據(jù)不同的電機(jī)和負(fù)載情況確定；否則可能會(huì)由于長(zhǎng)時(shí)間在一個(gè)線圈上加電燒壞，或者時(shí)間太短不能預(yù)定位。
2）啟動(dòng)加速 依據(jù)所要轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，按轉(zhuǎn)向順序依次給各相通斷電（換相）；啟動(dòng)的過(guò)程，需要多次換相，并逐漸加速；同預(yù)定位一樣，這個(gè)加速過(guò)程也與具體的電機(jī)和負(fù)載相關(guān)，需要結(jié)合實(shí)際測(cè)試來(lái)確定輸出占空比的大小，換相頻率太低，電機(jī)加速慢，會(huì)抖動(dòng)反轉(zhuǎn)，線圈也會(huì)發(fā)熱嚴(yán)重；換相頻率太高，電機(jī)運(yùn)行起來(lái)容易失步，導(dǎo)致加速失敗。
3）閉環(huán)控制 當(dāng)啟動(dòng)加速到一定轉(zhuǎn)速時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)及其過(guò)零點(diǎn)可以被穩(wěn)定的檢測(cè)到時(shí)，就可以切換到閉環(huán)控制狀態(tài)。
2 有感控制
無(wú)刷電機(jī)的有感控制指在無(wú)刷電機(jī)（BLDC）中，一般采用3個(gè)開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，根據(jù)3個(gè)霍爾傳感器輸出的編碼控制MOS管的通斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)換相。
在無(wú)刷電機(jī)中一般把3個(gè)霍爾傳感器間隔120°的圓周分布安裝如圖所示。輸出信號(hào)高低電平各占180°角。設(shè)輸出的高電平為1，低電平用0表示，則輸出三個(gè)信號(hào)用二進(jìn)制編碼表示如上表。
轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動(dòng)一周可以輸出6個(gè)信號(hào)，正好可以對(duì)應(yīng)六步方波換相的6個(gè)過(guò)程。我們可以按照出廠的真值表順序去控制MOS管的開(kāi)通和關(guān)斷
3 磁場(chǎng)定向控制（FOC）
FOC（Field-Oriented Control），直譯是磁場(chǎng)定向控制，也被稱作矢量控制 （VC，Vector Control） ，是目前無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）和永磁同步電機(jī)（PMSM）高效控制的最優(yōu)方法之一。FOC旨在通過(guò)精確地控制磁場(chǎng)大小與方向，使得電機(jī)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)、噪聲小、效率高，并且具有高速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
定子磁場(chǎng)是固定的，而轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而移動(dòng)。當(dāng)這兩個(gè)磁場(chǎng)之間的夾角為90∘時(shí)，轉(zhuǎn)子中的導(dǎo)體切割定子磁場(chǎng)的磁力線速度最快，這導(dǎo)致在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生最大的感應(yīng)電流。這些感應(yīng)電流在定子磁場(chǎng)中受到的洛倫茲力也最大，因此產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩（即電磁轉(zhuǎn)矩）也最大。所以如何使定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)一直相差90°，讓電機(jī)一直產(chǎn)生最大力矩，就是FOC矢量控制所解決的問(wèn)題。
FOC控制流程
FOC控制無(wú)刷電機(jī)過(guò)程，通過(guò)對(duì)無(wú)刷電機(jī)的三相電流采樣進(jìn)行Clarke變換，將三相正弦電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩相正弦信號(hào)，再經(jīng)Park變換（旋轉(zhuǎn)變換），轉(zhuǎn)換為兩個(gè)直流信號(hào)作為電流閉環(huán)的輸入，再經(jīng)反Park變換和空間矢量脈寬調(diào)制控制三相全橋的開(kāi)斷，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)刷電機(jī)的控制。
對(duì)上圖的解釋如下：
(1) 對(duì)電機(jī)的三相電流采樣得到Ia Ib Ic,
(2) 將Ia Ib Ic, 經(jīng)Clark變換得到
(3) 將 經(jīng)Park變換得到Iq Id
(4) 計(jì)算Iq Id和設(shè)定值Iq_ref Id_ref誤差
(5) 將上述的誤差作為pid控制器中，得到輸出控制電壓Uq，Ud
(6) Uq，Ud進(jìn)行反park變換
(7) 經(jīng)svpwm模塊（clark反變換）輸出到mos管，產(chǎn)生定轉(zhuǎn)子正交磁場(chǎng)，控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。
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