无刷直流电机磁场定向控制系统研究
王 聪
（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳 110000）
无刷直流电机用电子换相器替代普通直流电机的电刷和换向器，使耐用性大为提高，随着近年来科学技术的发展，控制成本也大幅降低。永磁体转子的运行效率更高，转动惯量更小，在相同的电磁转矩下无刷直流电机的响应更快，调速范围更宽。与其他电机相比，无刷直流电机具有体积小、结构紧凑、重量轻、功率密度高等优点，也更加高效节能，在各技术领域均受广泛关注，其应用遍及航空航天、汽车制造、医疗器械和家用电器等诸多领域[1]。无刷直流电机控制最常用的方法是六步换相的方波控制，方法相对简单，且硬件成本低，但是由于方波控制的磁场是不连续、跳跃的，因此转矩脉动较大。在对转矩脉动有要求的场合，方波控制无法胜任，转矩脉动会产生噪声，干扰系统，从而影响系统的稳定性，还会降低系统中芯片的性能或传感器的控制精度[2]。为解决这个问题，用于控制永磁同步电机的磁场定向控制方法逐步被应用于无刷直流电机的控制。其核心思路是将定子电流分解成直轴电流和交轴电流，分别用于控制励磁和转矩,相当于直流电机中的励磁电流和电枢电流[3]。磁场定向控制能够使转矩输出更平稳、提高电能的利用率，使无刷直流电机具有较宽的调速范围和较好的启动性能[4]。鉴于此，磁场定向控制应用于无刷直流电机控制具有很好的工程应用价值。本研究基于磁场定向控制和空间电压矢量脉宽调制方法，从原理入手，以仿真为辅助，以STM32F407IGT6为控制核心，尝试设计实现一种无刷直流电机控制系统。
磁场定向控制技术（FOC）又称为矢量控制技术，是将电机的转子磁场轴作为同步旋转坐标轴，借助坐标变换的数学方法把无刷直流电机定子的正弦波电流分解成与磁场平行的直轴电流和与磁场垂直的交轴电流，然后对这两种电流加以控制，其动态性能类似于方波控制[5]。
2.1 磁场定向控制系统
BLDCM磁场定向控制系统主要包括Clarke变换、Park变换、Park反变换、PID控制、SVPWM控制五个部分。BLDCM磁场定向控制系统框图如图1所示。其工作过程为：通过霍尔信号计算出电机的实际速度n，然后将实际速度与设定速度n*的误差送给速度PID模块，输出作为交轴电流iq*的给定值，直轴电流id*的给定值设为0。通过三电阻采样法获得电机定子的三相电流ia、ib、ic，三相电流通过Clarke和Park两种变换后得到电机实际的交轴电流iq和直轴电流id，再将两种电流的实际值与给定值间的误...
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