Analyse der FOC-, Rechteckwellen- und Sinuswellensteuerung von bürstenlosen Gleichstrommotoren

Der bürstenlose Gleichstrommotor wurde auf Basis des bürstenbehafteten Gleichstrommotors entwickelt. Es bietet die Vorteile einer stufenlosen Geschwindigkeitsregelung, einer breiten Geschwindigkeitsregelung, einer starken Überlastfähigkeit, einer guten Linearität, einer langen Lebensdauer, einer geringen Größe, eines geringen Gewichts und einer großen Leistung. Es löst eine Reihe von Problemen, die bei Bürstenmotoren auftreten, und wird häufig in verschiedenen Bereichen wie Industrieanlagen, Instrumenten, Haushaltsgeräten, Robotern und medizinischen Geräten eingesetzt. Da bürstenlose Motoren keine Bürsten zur aktiven Kommutierung besitzen, ist zur Kommutierung ein elektronischer Kommutator erforderlich. Was der bürstenlose Gleichstrommotortreiber leistet, ist die Funktion dieses elektronischen Kommutators.

Gängige Steuerungsmethoden für bürstenlose Gleichstrommotoren:

Jetzt gibt es drei Haupttypen: FOC (auch bekannt als Vektorfrequenzumwandlung, Richtungssteuerung des Magnetfeldvektors), Rechteckwellensteuerung (auch bekannt als Trapezwellensteuerung, 120°-Steuerung, 6-stufige Kommutierungssteuerung) und Sinuswellensteuerung. Was sind also die Vor- und Nachteile jeder dieser drei Kontrollmethoden?

Rechteckwellenmanipulation:

Die Rechteckwellensteuerung verwendet einen Hall-Sensor oder einen nicht-induktiven Budgetalgorithmus, um die Position des Motorrotors zu ermitteln, und kommutiert dann sechsmal (eine Kommutierung alle 60°) innerhalb eines elektrischen 360°-Zyklus entsprechend der Rotorposition. Jeder kommutierte Azimutmotor gibt eine Kraft in eine bestimmte Richtung ab, sodass man sagen kann, dass die Azimutgenauigkeit der Rechteckwellenmanipulation elektrisch 60° beträgt. Da die Wellenform des Phasenstroms des Motors bei der Steuerung mit dieser Methode einer Rechteckwelle nahe kommt, wird sie als Rechteckwellensteuerung bezeichnet.

Der Vorteil der Rechteckwellen-Steuerungsmethode besteht darin, dass der Steuerungsalgorithmus einfach ist, die Hardwarekosten niedrig sind und durch die Verwendung eines Controllers mit normalen Funktionen eine hohe Motorgeschwindigkeit erreicht werden kann. Der Nachteil besteht darin, dass die Drehmomentschwankung groß ist, ein gewisses Stromrauschen auftritt und die Leistung nicht den Maximalwert erreichen kann. . Die Rechteckwellensteuerung eignet sich für Gelegenheiten, bei denen keine hohe motorische Rollfunktion erforderlich ist.

Sinuswellenmanipulation:

Die Sinuswellensteuerungsmethode verwendet die SVPWM-Welle, der Ausgang ist eine 3-Phasen-Sinuswellenspannung und der entsprechende Strom ist ebenfalls ein Sinuswellenstrom. Diese Methode verfügt nicht über das Konzept der Kommutierung mit Rechteckwellensteuerung, die als eine unendliche Anzahl von Kommutierungen in einem elektrischen Zyklus betrachtet werden kann. Offensichtlich ist die Sinuswellensteuerung im Vergleich zur Rechteckwellensteuerung kleiner, die Drehmomentschwankung ist geringer, die Stromoberwellen sind geringer und die Steuerung fühlt sich „empfindlicher“ an, aber die funktionalen Anforderungen an die Steuerung sind etwas höher als bei der Rechteckwellensteuerung , und die Motorleistung kann nicht genutzt werden. auf den Maximalwert.

FOC-Steuerung:

Die Sinuswellensteuerung vervollständigt die Steuerung des Spannungsvektors und steuert direkt die Größe des Stroms, kann jedoch nicht die Richtung des Stroms steuern. Die FOC-Steuerungsmethode kann als verbesserte Version der Sinuswellensteuerung angesehen werden, die die Steuerung des Stromvektors vervollständigt, dh die Vektorsteuerung des Motorstatormagnetfelds.

Da die Richtung des Magnetfelds des Motorstators gesteuert wird, kann die Zeit zwischen dem Magnetfeld des Motorstators und dem Magnetfeld des Rotors bei 90° gehalten werden, um bei einem bestimmten Strom die maximale Drehmomentabgabe zu erreichen. Die Vorteile der FOC-Steuerungsmethode sind: geringe Drehmomentschwankung, hohe Leistung, geringe Geräuschentwicklung und schnelle dynamische Reaktion; Die Nachteile sind: hohe Hardwarekosten, hohe Anforderungen an die Steuerungsfunktionen und passende Motorparameter.

Welche Methode eignet sich besser für die zukünftige Entwicklung?

FOC ist jetzt die beste Wahl für die effiziente Steuerung von bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC) und Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM). FOC steuert die Größe und Richtung des Magnetfelds präzise, ​​sodass der Motor ein stabiles Drehmoment, geringe Geräuschentwicklung, hohe Leistung und eine dynamische Reaktion bei hoher Geschwindigkeit aufweist. Aufgrund der offensichtlichen Vorteile von FOC hat es in vielen Anwendungen nach und nach die traditionelle Kontrollmethode ersetzt und in der Sportkontrollbranche große Aufmerksamkeit erregt.

Das typische Steuerblockdiagramm von FOC sieht wie folgt aus. Um Informationen wie die Ausrichtung des Motorrotors, die Motorgeschwindigkeit und die Stromgröße als Reaktion zu erhalten, ist es notwendig, zunächst den Motorphasenstrom zu erfassen, eine Reihe mathematischer Transformationen und Budgetalgorithmen darauf durchzuführen und eine entkoppelte, leicht kontrollierbare Antwortgröße zu erhalten. Dann wird die dynamische Anpassung entsprechend dem Fehler zwischen dem Reaktionsbetrag und dem Zielwert durchgeführt und schließlich wird eine dreiphasige Sinuswelle ausgegeben, um den Motor zum Rollen zu bringen.

FOC kann in FOC mit Sensor und FOC ohne Sensor unterteilt werden, je nachdem, ob der Motor über einen Sensor verfügt oder nicht.

Da der Sensor des Motors (normalerweise der Encoder) die Orientierungsinformationen des Motorrotors widerspiegeln kann, kann der Orientierungsbudgetalgorithmus in Bezug auf den sensorischen FOC nicht in der Steuerung verwendet werden. Es wird gesagt, dass die Kontrollfunktion oft höher sein muss.

Da der Motor beim sensorlosen FOC über keinen Sensor verfügt, können die Positionsinformationen des Motorrotors nicht einfach durch Ablesen des Messwerts des Sensors ermittelt werden. Daher ist es bei der Steuerung erforderlich, den Motorphasenstrom zu erfassen und den Positionsbudgetalgorithmus zur Berechnung der Rotorposition zu verwenden. Obwohl die Steuerung des sensorlosen FOC schwierig ist, kann sie das Risiko eines Sensorausfalls verhindern, die Kosten des Sensors senken und die Verkabelung zwischen Motor und Treiberplatine vereinfachen. Heutzutage wird nicht-induktives FOC hauptsächlich bei Fan-Anlässen verwendet.

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