淺析無(wú)刷電機(jī)之FOC第8部分
????????前面我們分析了FOC中SVPWM的底層操作原理,再怎么復(fù)雜的定時(shí)器架構(gòu)最終也是輸出脈沖信號(hào)到IO口,也就是高低電平最終用來(lái)控制MOS管的完全導(dǎo)通,因?yàn)椴煌耆珜?dǎo)通相當(dāng)于接觸不良,時(shí)間長(zhǎng)了就容易內(nèi)阻發(fā)熱,最終燒壞MOS,所以IO口的高低電平信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦、預(yù)驅(qū)、限流電阻等等,最終是一個(gè)MOS管完全導(dǎo)通信號(hào),比如把電機(jī)三相線換成電阻,就可以看到一個(gè)個(gè)的方波電壓,其電流也是方波。

????????由于我們的無(wú)刷電機(jī)線圈相當(dāng)于電感、電阻串聯(lián)體,而電阻極小,所以可以把無(wú)刷看成是電感,由于電感不允許電流突變,所以每一次SVPWM的MOS開關(guān)操作相當(dāng)于給電感續(xù)流,使其穩(wěn)定在每一個(gè)時(shí)刻的正弦位置。

? ? ????比如0時(shí)刻MOS全開或全關(guān),這時(shí)候完全沒(méi)有電流,就是正弦在坐標(biāo)軸的0位置,隨著時(shí)間推進(jìn),MOS增大PWM中開的時(shí)刻,慢慢增大到正弦波下一個(gè)時(shí)刻應(yīng)該保持的電流大小,比如1位置處占空比就應(yīng)該為sin(1),約等于0.841471,即84.1%的占空比,而pi/2處則應(yīng)該100%占空比導(dǎo)通MOS。

????????SVPWM中MOS管給相線同母線電壓、地線間做導(dǎo)通給線圈續(xù)流,因此隨著定時(shí)器給IO口輸出高低電平,最終到MOS管的導(dǎo)通,每一次開關(guān)(藍(lán)線)都影響著電機(jī)相線(黃線)的電流,即做著微小的曲線變化,像這樣。

????????接著縮放波形

????????再縮小






????????就像前面說(shuō)的,電感不允許電流像PWM一樣做方波一樣的開關(guān)變化,所以電流只跟著MOS的開關(guān)做微小的變化,逐漸調(diào)整占空比使電流宏觀上整體按照正弦變化。
????????其實(shí)DCDC開關(guān)電源也是一樣的原理,MOS通斷給電感、二極管續(xù)流,電流不會(huì)突變,電流&電壓上升到設(shè)定值,通過(guò)反饋電阻又控制MOS的關(guān)斷,整體保持著設(shè)定的輸出電壓&電流值,DCDC一般為了保持穩(wěn)定的電壓開關(guān)頻率都比較快,幾十K到幾百K不等。只不過(guò)電源IC是保持一個(gè)設(shè)定值,而FOC是根據(jù)電機(jī)需求的電流動(dòng)態(tài)保持正弦設(shè)定值。
????????可能有的小伙伴迷惑了,這么說(shuō)SVPWM占空比變化規(guī)律按照正弦變化,那不就是SPWM了嘛,主要是無(wú)刷沒(méi)有公共端引出。這個(gè)我們后面再說(shuō)。(你也可以先想想)
????????前面我們說(shuō)了,F(xiàn)OC甚至六步中,MOS都必須完全打開,而電機(jī)的相電阻都很小,這不相當(dāng)于短路了嘛,因此必須控制PWM也就是IO口也就是MOS開關(guān)的頻率不能太低,當(dāng)然也不能太高。選用的MOS管內(nèi)阻不能太高,(要么耐壓低,要么電流低,要么太貴),實(shí)在沒(méi)辦法就只能加散熱片或者風(fēng)扇了。
????????一般電源IC為了電源更穩(wěn)定會(huì)使用比較高的開關(guān)頻率,比如mp2144達(dá)到了變態(tài)的1.2MHz開關(guān)頻率。手冊(cè)來(lái)源:https://www.monolithicpower.com/en/documentview/productdocument/index/version/2/document_type/Datasheet/lang/en/sku/MP2144/document_id/436

????????說(shuō)一下前面SVPWM占空比變化規(guī)律的問(wèn)題,其實(shí)變化規(guī)律確實(shí)是沒(méi)問(wèn)題的,是要按著正弦的變化來(lái)調(diào)節(jié)PWM占空比,不過(guò)還有一些細(xì)節(jié)問(wèn)題,比如無(wú)刷電機(jī)一般都是直流驅(qū)動(dòng),即用一個(gè)比較高的直流母線電壓,通過(guò)三組半橋來(lái)驅(qū)動(dòng),因此不能按照規(guī)范的正弦波一樣輸出負(fù)壓,所以正弦波中的波峰波谷對(duì)應(yīng)母線電壓和地(0電壓)。
????????另外鑒于NMOS結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)能力比PMOS強(qiáng),所以無(wú)刷驅(qū)動(dòng)板都是雙NMOS結(jié)構(gòu)的半橋,而由于NMOS的導(dǎo)通條件,又需要一個(gè)比母線電壓更高的電壓來(lái)導(dǎo)通上半橋的NMOS,因此又需要自舉升壓的預(yù)驅(qū)芯片來(lái)做橋接,即連接在隔離后的IO信號(hào)和MOS管限流電阻之間,不過(guò)雙NMOS結(jié)構(gòu)又需要避免上下橋同時(shí)導(dǎo)通造成短路,所以預(yù)驅(qū)芯片一般也都有保護(hù)功能,防止上下橋MOS同時(shí)導(dǎo)通,以及死區(qū)功能等。當(dāng)然也有一些MCU自帶的預(yù)驅(qū)電路,可以減少驅(qū)動(dòng)板layout面積。
????????其實(shí)有SVPWM疑問(wèn)的小伙伴應(yīng)該是忘記了SVPWM的六步和零矢量的特殊性,所以即便是SVPWM要按照正弦計(jì)算,那么鑒于SVPWM六步和零矢量的特殊性,也需要進(jìn)一步做矢量計(jì)算,最終才能得到MOS導(dǎo)通的占空比,最終根據(jù)開關(guān)頻率計(jì)算到定時(shí)器的比較寄存器,輸出IO高低電平驅(qū)動(dòng)光耦、預(yù)驅(qū)、MOS,最終帶著無(wú)刷電機(jī)做FOC旋轉(zhuǎn)。