BLDC電機(jī)控制算法
發(fā)布時(shí)間:2019-11-21 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】BLDC電機(jī)控制要求了解電機(jī)進(jìn)行整流轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)子位置和機(jī)制。對(duì)于閉環(huán)速度控制,有兩個(gè)附加要求,即對(duì)于轉(zhuǎn)子速度/或電機(jī)電流以及PWM信號(hào)進(jìn)行測(cè)量,以控制電機(jī)速度功率。
BLDC電機(jī)控制算法
無(wú)刷電機(jī)屬于自換流型(自我方向轉(zhuǎn)換),因此控制起來(lái)更加復(fù)雜。
BLDC電機(jī)控制要求了解電機(jī)進(jìn)行整流轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)子位置和機(jī)制。對(duì)于閉環(huán)速度控制,有兩個(gè)附加要求,即對(duì)于轉(zhuǎn)子速度/或電機(jī)電流以及PWM信號(hào)進(jìn)行測(cè)量,以控制電機(jī)速度功率。
BLDC電機(jī)可以根據(jù)應(yīng)用要求采用邊排列或中心排列PWM信號(hào)。大多數(shù)應(yīng)用僅要求速度變化操作,將采用6個(gè)獨(dú)立的邊排列PWM信號(hào)。這就提供了最高的分辨率。如果應(yīng)用要求服務(wù)器定位、能耗制動(dòng)或動(dòng)力倒轉(zhuǎn),推薦使用補(bǔ)充的中心排列PWM信號(hào)。
為了感應(yīng)轉(zhuǎn)子位置,BLDC電機(jī)采用霍爾效應(yīng)傳感器來(lái)提供絕對(duì)定位感應(yīng)。這就導(dǎo)致了更多線的使用和更高的成本。無(wú)傳感器BLDC控制省去了對(duì)于霍爾傳感器的需要,而是采用電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)(電動(dòng)勢(shì))來(lái)預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子位置。無(wú)傳感器控制對(duì)于像風(fēng)扇和泵這樣的低成本變速應(yīng)用至關(guān)重要。在采有BLDC電機(jī)時(shí),冰箱和空調(diào)壓縮機(jī)也需要無(wú)傳感器控制。
死區(qū)的插入和補(bǔ)充
許多不同的控制算法都被用以提供對(duì)于BLDC電機(jī)的控制。典型地,將功率晶體管用作線性穩(wěn)壓器來(lái)控制電機(jī)電壓。當(dāng)驅(qū)動(dòng)高功率電機(jī)時(shí),這種方法并不實(shí)用。高功率電機(jī)必須采用PWM控制,并要求一個(gè)微控制器來(lái)提供起動(dòng)和控制功能。
控制算法必須提供下列三項(xiàng)功能:
● 用于控制電機(jī)速度的PWM電壓
● 用于對(duì)電機(jī)進(jìn)整流換向的機(jī)制
● 利用反電動(dòng)勢(shì)或霍爾傳感器來(lái)預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子位置的方法
脈沖寬度調(diào)制僅用于將可變電壓應(yīng)用到電機(jī)繞組。有效電壓與PWM占空度成正比。當(dāng)?shù)玫竭m當(dāng)?shù)恼鲹Q向時(shí),BLDC的扭矩速度特性與直流電機(jī)相同??梢杂每勺冸妷簛?lái)控制電機(jī)的速度和可變轉(zhuǎn)矩。
功率晶體管的換向?qū)崿F(xiàn)了定子中的適當(dāng)繞組,可根據(jù)轉(zhuǎn)子位置生成最佳的轉(zhuǎn)矩。在一個(gè)BLDC電機(jī)中,MCU必須知道轉(zhuǎn)子的位置并能夠在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間進(jìn)行整流換向。
BLDC電機(jī)的梯形整流換向
對(duì)于直流無(wú)刷電機(jī)的最簡(jiǎn)單的方法之一是采用所謂的梯形整流換向。
圖1:用于BLDC電機(jī)的梯形控制器的簡(jiǎn)化框圖
在這個(gè)原理圖中,每一次要通過(guò)一對(duì)電機(jī)終端來(lái)控制電流,而第三個(gè)電機(jī)終端總是與電源電子性斷開(kāi)。
嵌入大電機(jī)中的三種霍爾器件用于提供數(shù)字信號(hào),它們?cè)?0度的扇形區(qū)內(nèi)測(cè)量轉(zhuǎn)子位置,并在電機(jī)控制器上提供這些信息。由于每次兩個(gè)繞組上的電流量相等,而第三個(gè)繞組上的電流為零,這種方法僅能產(chǎn)生具有六個(gè)方向共中之一的電流空間矢量。隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)向,電機(jī)終端的電流在每轉(zhuǎn)60度時(shí),電開(kāi)關(guān)一次(整流換向),因此電流空間矢量總是在90度相移的最接近30度的位置。
圖2:梯形控制:驅(qū)動(dòng)波形和整流處的轉(zhuǎn)矩
因此每個(gè)繞組的電流波型為梯形,從零開(kāi)始到正電流再到零然后再到負(fù)電流。
這就產(chǎn)生了電流空間矢量,當(dāng)它隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)在6個(gè)不同的方向上進(jìn)行步升時(shí),它將接近平衡旋轉(zhuǎn)。
在像空調(diào)和冰霜這樣的電機(jī)應(yīng)用中,采用霍爾傳感器并不是一個(gè)不變的選擇。在非聯(lián)繞組中感應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)傳感器可以用來(lái)取得相同的結(jié)果。
這種梯形驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)因其控制電路的簡(jiǎn)易性而非常普通,但是它們?cè)谡鬟^(guò)程中卻要遭遇轉(zhuǎn)矩紋波問(wèn)題。
BDLC電機(jī)的正弦整流換向
梯形整流換向還不足以為提供平衡、精準(zhǔn)的無(wú)刷直流電機(jī)控制。這主要是因?yàn)樵谝粋€(gè)三相無(wú)刷電機(jī)(帶有一個(gè)正統(tǒng)波反電動(dòng)勢(shì))中所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩由下列等式來(lái)定義:
轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩= Kt [IRSin(o) + ISSin(o+120) +ITSin(o+240)]
其中:
o為轉(zhuǎn)軸的電角度
Kt為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)
IR, IS和IT為相位電流
如果相位電流是正弦的:IR = I0Sino; IS = I0Sin (+120o); IT = I0Sin (+240o)
將得到:
轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩= 1.5I0*Kt(一個(gè)獨(dú)立于轉(zhuǎn)軸角度的常數(shù))
正弦整流換向無(wú)刷電機(jī)控制器努力驅(qū)動(dòng)三個(gè)電機(jī)繞組,其三路電流隨著電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)而平穩(wěn)的進(jìn)行正弦變化。選擇這些電流的相關(guān)相位,這樣它們將會(huì)產(chǎn)生平穩(wěn)的轉(zhuǎn)子電流空間矢量,方向是與轉(zhuǎn)子正交的方向,并具有不變量。這就消除了與北形轉(zhuǎn)向相關(guān)的轉(zhuǎn)矩紋波和轉(zhuǎn)向脈沖。
為了隨著電機(jī)的旋轉(zhuǎn),生成電機(jī)電流的平穩(wěn)的正弦波調(diào)制,就要求對(duì)于轉(zhuǎn)子位置有一個(gè)精確有測(cè)量?;魻柶骷H提供了對(duì)于轉(zhuǎn)子位置的粗略計(jì)算,還不足以達(dá)到目的要求?;谶@個(gè)原因,就要求從編碼器或相似器件發(fā)出角反饋。
圖3:BLDC電機(jī)正弦波控制器的簡(jiǎn)化框圖
由于繞組電流必須結(jié)合產(chǎn)生一個(gè)平穩(wěn)的常量轉(zhuǎn)子電流空間矢量,而且定子繞組的每個(gè)定位相距120度角,因此每個(gè)線組的電流必須是正弦的而且相移為120度。采用編碼器中的位置信息來(lái)對(duì)兩個(gè)正弦波進(jìn)行合成,兩個(gè)間的相移為120度。然后,將這些信號(hào)乘以轉(zhuǎn)矩命令,因此正弦波的振幅與所需要的轉(zhuǎn)矩成正比。結(jié)果,兩個(gè)正弦波電流命令得到恰當(dāng)?shù)亩ㄏ啵瑥亩谡环较虍a(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)定子電流空間矢量。
正弦電流命令信號(hào)輸出一對(duì)在兩個(gè)適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)繞組中調(diào)制電流的P-I控制器。第三個(gè)轉(zhuǎn)子繞組中的電流是受控繞組電流的負(fù)和,因此不能被分別控制。每個(gè)P-I控制器的輸出被送到一個(gè)PWM調(diào)制器,然后送到輸出橋和兩個(gè)電機(jī)終端。應(yīng)用到第三個(gè)電機(jī)終端的電壓源于應(yīng)用到前兩個(gè)線組的信號(hào)的負(fù)數(shù)和,適當(dāng)用于分別間隔120度的三個(gè)正弦電壓。
結(jié)果,實(shí)際輸出電流波型精確的跟蹤正弦電流命令信號(hào),所得電流空間矢量平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng),在量上得以穩(wěn)定并以所需的方向定位。
一般通過(guò)梯形整流轉(zhuǎn)向,不能達(dá)到穩(wěn)定控制的正弦整流轉(zhuǎn)向結(jié)果。然而,由于其在低電機(jī)速度下效率很高,在高電機(jī)速度下將會(huì)分開(kāi)。這是由于速度提高,電流回流控制器必須跟蹤一個(gè)增加頻率的正弦信號(hào)。同時(shí),它們必須克服隨著速度提高在振幅和頻率下增加的電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)。
由于P-I控制器具有有限增益和頻率響應(yīng),對(duì)于電流控制回路的時(shí)間變量干擾將引起相位滯后和電機(jī)電流中的增益誤差,速度越高,誤差越大。這將干擾電流空間矢量相對(duì)于轉(zhuǎn)子的方向,從而引起與正交方向產(chǎn)生位移。
當(dāng)產(chǎn)生這種情況時(shí),通過(guò)一定量的電流可以產(chǎn)生較小的轉(zhuǎn)矩,因此需要更多的電流來(lái)保持轉(zhuǎn)矩,效率降低。隨著速度的增加,這種降低將會(huì)延續(xù)。在某種程度上,電流的相位位移超過(guò)90度。當(dāng)產(chǎn)生這種情況時(shí),轉(zhuǎn)矩減至為零。通過(guò)正弦的結(jié)合,上面這點(diǎn)的速度導(dǎo)致了負(fù)轉(zhuǎn)矩,因此也就無(wú)法實(shí)現(xiàn)。
作者:瑞薩
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