BLDC電機(jī)控制算法

 

無刷電機(jī)屬于自換流型（自我方向轉(zhuǎn)換），因此控制起來更加復(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)）來預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子位置。無傳感器控制對(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。可以用可變電壓來控制電機(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，每一次要通過一對(duì)電機(jī)終端來控制電流，而第三個(gè)電機(jī)終端總是與電源電子性斷開。

 

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^程中卻要遭遇轉(zhuǎn)矩紋波問題。

 

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)的無刷直流電機(jī)控制。這主要是因?yàn)樵谝粋€(gè)三相無刷電機(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。霍爾器件僅提供了對(duì)于轉(zhuǎn)子位置的粗略計(jì)算，還不足以達(dá)到目的要求。基于這個(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。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90度。當(dāng)產(chǎn)生這種情況時(shí)，轉(zhuǎn)矩減至為零。通過正弦的結(jié)合，上面這點(diǎn)的速度導(dǎo)致了負(fù)轉(zhuǎn)矩，因此也就無法實(shí)現(xiàn)。

 

作者：瑞薩

 

 

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