无刷电机参数及FOC控制技术关键点分析-综合

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1 无刷电机重要参数

1.1 KV 值

  • 有刷直流电机是根据额定工作电压来标注额定转速的，无刷电机引入了 KV 值的概念，而让用 户可以直观的知道无刷电机在具体的工作电压下的具体转速。实际转速 =KV 值 * 工作电压，这 就是 KV 的物理意义，就是在 1V 工作电压下每分钟的转速。
  • 无刷直流电机的转速与电压呈正比关系，电机的转速会随着电压上升而线性上升。例如，2212-850KV 电机在 10V 电压下的转速就 是:850*10=8500RPM(RPM，每分钟转速)。
  • KV 值与匝数是呈反比例关系的，例如 2212-850KV，匝数是 30T(15 圈)，那在 28T 的情况下的 KV 值是:850KV*30T/28T=910KV。

1.2 转矩/转速

  • 转矩:(力矩、扭矩）电机中转子产生的可以用来带动机械负载的驱动力矩，我们可以理解为电机的力量。
  • 转速: 电机每分钟的转速。
  • 电机的转矩和转速在同一个电机内永远是一个此消彼长的关系，基本可以认为转矩和转速的乘 积是一个定数，即同一个电机的转速越高，必定其转矩越低，相反也依然。不可能要求个电机的 转速也更高，转矩也更高，这个规律通用于所有电机。
  • 例如:2212-850KV 电机，在 11V 的情况下可以带动 1045 桨，如果将电压上升一倍，其转速也提高一倍，如果此时负载仍然是 1045 桨

1.3 极对数

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  • 电机转子转一圈，称为360°（或者叫2Pi）机械角度，转子转过一对磁极，称为360°电角度。
    如上图的7对极，电机需要转7X360电角度 = 360机械角度。SVPWM控制的angle为电角度，而编码器读到的是机械角度，所以需要把机械角度转为SVPWM可用的电角度。

1.4 规格

  • 在选择电机时你会发现同一无刷电机厂有很多用4位数字表示的小型号。不同厂家代表的意义不同，一定要了解清楚。比如常见的2212,2216,2204等。
  • 四位数字代表了无刷电机的尺寸。前两位代表了定子的直径，后两位数字代表了定子的高度。这种命名方式有一点不好的原因是很容易让客户误解这就是电机的最大外径和高度，买回去安装不合适，我们电机厂的命名前四位也是数字，如1230、2010、2826、8724等前两位就是整电机的外径，后两位是电机的高度，这样客户很清楚了解自己的结构适不适合这个大小，然后再选择电机性能。 image.png

2 关于BLDC和PMSM的区别

  • 无刷电机其实可以分为无刷直流电机（BLDC，我们航模上都是用这种） 和永磁同步电机（PMSM） ，结构大同小异，主要区别在于制造方式（线圈绕组方式）不同导致的一些特性差异（比如反电动势的波形）

2.1 BLDC

  • 简单地说，BLDC由于反电动势接近梯形波，所以肯定是会有上面说的抖动问题的，但是转一圈抖6下太明显了，如果我增加电机槽、极对数（也就是磁铁对数），那以前是360度里面抖6下，现在变成120度里面抖6下，甚至更小，这样“颗粒感”不就变得更小了嘛？实际中买到的BLDC电机基本都是多极对的（比如下图），原理跟之前的分析是一样的，出来的都是三相信号（图中的三根线），可以自己进行类推。BLDC也可以结合抗齿槽算法的FOC进行力矩补偿实现平滑控制 image.png

2.2 PMSM

  • 为什么我们非得用方波这种不平滑的波来驱动电机呢，用正弦波它不香吗？是的，这就是PMSM解决问题的方式，由于PMSM的反电动势被设计为正弦波的形状，我们用软件和算法结合PWM技术将方波转变成等效的SPWM正弦波或者SVPWM马鞍波，再来驱动电机，结果美滋滋，控制效果很理想。当然为了产生更好的波形、更好的旋转磁场，驱动器、控制算法就变得非常复杂，这也是FOC的实现原理

3 无刷电机机械角度、电角度与极对数关系

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4 FOC超前90°技术关键点(一般选择Q轴超前90度)

  • 对永磁同步电机进行控制的时候，一般将转子磁极方向和alpha轴（亦即A相轴）正向重合的位置作为转子零位（转子在此位置时角度为0°），然后控制算法依据FOC产生一个超前90°的电流is来拖动电机转起来。
  • image.png

4.1 选择Q轴超前90度

  • 如果按照这个坐标系定义，又会出现一个难以理解的问题，因为常见的电角度定义为d轴和alpha轴的夹角，为什么这里定义为q轴和alpha轴的夹角也可以呢？这样结果不会出错吗？ image.png ​ 实际上，解答这个问题还是要从FOC的核心思想上来解答。FOC使用Clarke变换和Park变换是为了什么？就是为了生成超前转子（d轴，注意不论电角度怎么定义，dq轴定义总是不变的）90度的磁场，或者说超前转子90度的电流。
  • 那么电角度theta有什么用呢？其实它仅仅是为了指示当前转子在什么方向，从而生成一个超前转子90度的磁场，因为as,bs,cs轴和alpha/beta轴都是固定的，而只有知道要生成的磁场相对这些固定的坐标轴在什么位置，才能进行在旋转坐标轴和固定坐标轴之间相互转换。所以说，电角度可以随便定义，它可以是q轴和alpha的夹角，也可以是d轴和alpha的夹角，甚至可以是d轴和（alpha轴与beta轴）的角平分线的夹角，因为电角度存在的意义只是为了指示当前转子在什么方向，然后生成一个超前转子90度的磁场，利用电角度，就可以把这个磁场分解到固定的坐标轴上去，然后控制PWM的生成。
  • 那么为什么常见的电角度定义是d轴或者q轴和alpha轴的夹角呢？其实很简单，就是为了Park和反Park变换的方便，因为此时只需要在dq轴和alpha/beta轴之间相互投影即可，而投影的时候×的系数就是theta的三角函数值。由此看来，这个夹角定义成d轴或者q轴和beta轴的夹角也是可以的，它同样方便计算。但是如果定义成和其他轴（比如alpha和beta角平分线）的夹角，那么投影计算的时候就不好算了。
  • 总之记住：所有的变换最终结果都是为了生成超前转子90度的磁场，而电角度只是为了提供转子的位置，方便磁场在各个坐标系之间进行变换。这也是FOC的核心思想！

4.2 选择D轴超前90度`

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5 0位校准：为什么给-90度电角度就能进行电角度预校准

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6 参考

为什么永磁同步电机初始位置定位时，给-90度的电角度就能实现初始定位，这是怎么理解的？
https://www.zhihu.com/question/53944400

ST电机库的FOC部分解读笔记
https://blog.csdn.net/qq_42731705/article/details/120940747
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