电控算法包括哪些（电控工程师是做什么的）

最近看到一些朋友在玩各种电机。对于电机来说，最重要的是控制。稳定、准确、快速的控制是控制算法软件工程师的最终目标。首先可以玩一些比较成熟的控制算法来体验一下。所以我把这个内容收集在这里和大家分享。

1. BLDC电机控制算法

无刷电机是自换向（自方向切换）的，因此控制起来更复杂。

BLDC 电机控制需要了解电机的转子位置和机制，以实现校正转向。对于闭环速度控制，还有两个附加要求，即测量转子速度/或电机电流以及控制电机速度功率的PWM 信号。

BLDC 电机可以根据应用要求使用边沿对齐或中心对齐PWM 信号。大多数仅需要速度改变操作的应用将采用6 个独立的边沿对齐PWM 信号。这提供了最高分辨率。如果应用需要服务器定位、动态制动或电源反转，建议使用补充的中心对齐PWM 信号。

为了感测转子位置，BLDC 电机使用霍尔效应传感器来提供绝对位置感测。这导致更多的电线使用和更高的成本。无传感器BLDC 控制无需霍尔传感器，而是使用电机的反电动势（电动势）来预测转子位置。无传感器控制对于风扇和泵等低成本变速应用至关重要。当使用BLDC 电机时，冰箱和空调压缩机也需要无传感器控制。

死区时间的插入和补充

大多数BLDC 电机不需要互补PWM、死区时间插入或死区时间补偿。唯一可能需要这些特性的BLDC 应用是高性能BLDC 伺服电机、正弦波励磁BLDC 电机、无刷交流或PC 同步电机。

控制算法

许多不同的控制算法用于提供BLDC 电机的控制。通常，功率晶体管用作线性调节器来控制电机电压。这种方法在驱动大功率电机时并不实用。大功率电机必须采用PWM控制，并需要微控制器提供启动和控制功能。

控制算法必须提供以下三个功能：

用于控制电机速度的PWM 电压

用于对电机进行整流和换向的机构

使用反电动势或霍尔传感器预测转子位置的方法

脉宽调制仅用于向电机绕组施加可变电压。有效电压与PWM 占空比成正比。当正确换向时，BLDC 的扭矩速度特性与直流电机的扭矩速度特性相同。可变电压可用于控制电机速度和可变扭矩。

功率晶体管的换向使定子中的适当绕组能够根据转子位置产生最佳扭矩。在BLDC 电机中，MCU 必须知道转子的位置，并能够在正确的时间对其进行换向。

BLDC 电机的梯形换向

无刷直流电机最简单的方法之一是使用所谓的梯形换向。

图1：BLDC 电机梯形控制器的简化框架

在此示意图中，电流一次通过一对电机端子进行控制，而第三个电机端子始终与电源电气断开。

大型电机中嵌入的三个霍尔器件用于提供数字信号，测量60 度扇区内的转子位置，并在电机控制器上提供此信息。由于两个绕组上的电流量每次都相等，而第三个绕组上的电流为零，因此该方法只能产生具有六个方向之一的电流空间矢量。随着电机转动，电机端子上的电流每60度切换一次（整流换向），因此电流空间矢量始终处于最接近90度相移的30度的位置。

图2：梯形控制：整流时的驱动波形和扭矩

因此，每个绕组中的电流波形是梯形的，从零开始到正电流到零，然后到负电流。

这将创建一个电流空间矢量，当转子旋转时，该矢量将在6 个不同的方向上步进，从而接近平衡旋转。

在空调和霜等电机应用中，使用霍尔传感器并不是一个固定的选择。在非耦合绕组中感应的反电动势传感器可用于实现相同的结果。

这种梯形驱动系统由于控制电路简单而非常常见，但它们在整流过程中会遇到扭矩纹波问题。

BLDC 电机的正弦换向

梯形换向不足以提供平衡、精确的无刷直流电机控制。这主要是因为三相无刷电机（具有正统波反电动势）产生的扭矩由以下等式定义：

轴扭矩=Kt [IRSin(o) + ISSin(o+120) +ITSin(o+240)]

在：

o 为转轴电角度

Kt是电机的扭矩常数

IR、IS 和IT 是相电流

若相电流为正弦波：IR=I0Sino； IS=I0Sin (+120o)； IT=I0Sin (+240o)

将得到：

轴扭矩=1.5I0*Kt（与轴角度无关的常数）

正弦换向无刷电机控制器力求驱动三个电机绕组，其三个电流随着电机旋转而平滑地进行正弦变化。选择这些电流的相对相位，使得它们将产生沿与转子正交的方向且具有不变性的静止转子电流空间矢量。这消除了与北向转向相关的扭矩脉动和转向脉冲。

为了在电机旋转时产生平滑的电机电流正弦调制，需要精确测量转子位置。霍尔器件仅提供转子位置的粗略计算，这不足以达到目的。因此，需要来自编码器或类似设备的角度反馈。

图3：BLDC 电机正弦波控制器的简化框图

由于绕组电流必须组合起来才能产生平滑的恒定转子电流空间矢量，并且每个定子绕组都相距120 度，因此每个线圈中的电流必须是正弦波且相移120 度。编码器中的位置信息用于合成两个正弦波，两者之间的相移为120度。然后将这些信号乘以扭矩命令，因此正弦波的幅度与所需的扭矩成正比。结果，两个正弦电流命令被正确定相，产生正交方向的旋转定子电流空间矢量。

正弦电流指令信号输出一对P-I 控制器，调节两个适当电机绕组中的电流。第三转子绕组中的电流是受控绕组电流的负和，因此不能单独控制。每个P-I 控制器的输出被馈送到PWM 调制器，然后馈送到输出桥和两个电机端子。施加到第三个电机端子的电压由施加到前两个线组的信号的负和产生，适用于间隔120 度的三个正弦电压。

结果，实际输出电流波形准确地跟踪正弦电流指令信号，并且所得电流空间矢量旋转平滑、定量稳定并定位在期望的方向上。

一般通过梯形整流转向，无法实现正弦整流转向效果的稳定控制。然而，由于它在低电机速度下非常高效，因此它会在高电机速度下分离。这是因为随着速度增加，电流返回控制器必须跟踪频率增加的正弦信号。同时，它们必须克服电机的反电动势，随着速度的增加，反电动势的幅度和频率也会增加。

由于P-I控制器具有有限的增益和频率响应，电流控制环路的时变干扰将导致电机电流的相位滞后和增益误差。速度越高，误差越大。这将干扰当前空间矢量相对于转子的方向，导致正交方向上的位移。

当这种情况发生时，通过一定量的电流可以产生较小的扭矩，因此需要更多的电流来维持扭矩。效率降低。

随着速度的增加，这种下降将持续下去。在某个时刻，电流的相移超过90 度。当这种情况发生时，扭矩减小到零。通过组合正弦曲线，此时的速度会产生负扭矩，因此不可能实现。

2. 交流电机算法

标量控制

标量控制（或V/Hz 控制）是一种控制受控电机速度的简单方法；

命令电机的稳态模型主要用于获取技术，因此不可能实现瞬态性能。系统没有电流环路。为了控制电机，三相电源仅改变振幅和频率。

矢量控制或磁场定向控制

电动机中的扭矩随着定子和转子磁场的函数而变化，并且当两个磁场彼此正交时达到峰值。在基于标量的控制中，两个磁场之间的角度发生显着变化。

矢量控制设法在交流电机中再次创建正交关系。为了控制扭矩，每个都从产生的磁通量产生电流，以实现直流电机的响应性。

交流指令电机的矢量控制与单独励磁直流电机的控制类似。在直流电机中，励磁电流IF 产生的磁场能量F 与电枢电流IA 产生的电枢磁通A 正交。这些磁场是解耦的并且彼此稳定。因此，当控制电枢电流来控制扭矩时，磁场能量不受影响，并且实现更快的瞬态响应。

三相交流电机的磁场定向控制(FOC) 涉及模仿直流电机的运行。所有控制变量都通过数学变换转换为直流而不是交流。它的目标是扭矩和磁通的独立控制。

磁场定向控制（FOC）有两种方法：

直接FOC：通过磁通观测器直接计算转子磁场方向（转子磁通角）；

间接FOC：通过估计或测量转子速度和转差来间接获得转子磁场的方向（转子磁通角）。

矢量控制需要了解转子磁通的位置，并且可以使用终端电流和电压的知识（使用交流感应电机的动态模型）通过高级算法进行计算。然而，从实施的角度来看，对计算资源的需求至关重要。

矢量控制算法可以通过不同的方式实现。前馈技术、模型估计和自适应控制技术都可以用来增强响应和稳定性。

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3、步进电机控制算法

以下是步进电机控制原理图：

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4、通用直流控制算法

通用电机的速度控制，特别是使用2个电路的电机：

1. 相位角控制

2. PWM斩波控制

相位角控制

相角控制是通用电机速度控制的最简单方法。通过改变TRIAC的弧角来控制速度。相角控制是一种非常经济的解决方案，但效率不高且容易产生电磁干扰(EMI)

通用电机的相角控制

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