BLDC電機控制算法

 

無刷電機屬于自換流型（自我方向轉(zhuǎn)換），因此控制起來更加復(fù)雜。

 

BLDC電機控制要求了解電機進行整流轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)子位置和機制。對于閉環(huán)速度控制，有兩個附加要求，即對于轉(zhuǎn)子速度/或電機電流以及PWM信號進行測量，以控制電機速度功率。

 

BLDC電機可以根據(jù)應(yīng)用要求采用邊排列或中心排列PWM信號。大多數(shù)應(yīng)用僅要求速度變化操作，將采用6個獨立的邊排列PWM信號。這就提供了最高的分辨率。如果應(yīng)用要求服務(wù)器定位、能耗制動或動力倒轉(zhuǎn)，推薦使用補充的中心排列PWM信號。

 

為了感應(yīng)轉(zhuǎn)子位置，BLDC電機采用霍爾效應(yīng)傳感器來提供絕對定位感應(yīng)。這就導(dǎo)致了更多線的使用和更高的成本。無傳感器BLDC控制省去了對于霍爾傳感器的需要，而是采用電機的反電動勢（電動勢）來預(yù)測轉(zhuǎn)子位置。無傳感器控制對于像風(fēng)扇和泵這樣的低成本變速應(yīng)用至關(guān)重要。在采有BLDC電機時，冰箱和空調(diào)壓縮機也需要無傳感器控制。

 

死區(qū)的插入和補充

 

許多不同的控制算法都被用以提供對于BLDC電機的控制。典型地，將功率晶體管用作線性穩(wěn)壓器來控制電機電壓。當(dāng)驅(qū)動高功率電機時，這種方法并不實用。高功率電機必須采用PWM控制，并要求一個微控制器來提供起動和控制功能。

 

控制算法必須提供下列三項功能：

 

● 用于控制電機速度的PWM電壓

● 用于對電機進整流換向的機制

● 利用反電動勢或霍爾傳感器來預(yù)測轉(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，BLDC的扭矩速度特性與直流電機相同。可以用可變電壓來控制電機的速度和可變轉(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BLDC電機中，MCU必須知道轉(zhuǎn)子的位置并能夠在恰當(dāng)?shù)臅r間進行整流換向。

 

BLDC電機的梯形整流換向

 

對于直流無刷電機的最簡單的方法之一是采用所謂的梯形整流換向。

 

圖1：用于BLDC電機的梯形控制器的簡化框圖

 

在這個原理圖中，每一次要通過一對電機終端來控制電流，而第三個電機終端總是與電源電子性斷開。

 

嵌入大電機中的三種霍爾器件用于提供數(shù)字信號，它們在60度的扇形區(qū)內(nèi)測量轉(zhuǎn)子位置，并在電機控制器上提供這些信息。由于每次兩個繞組上的電流量相等，而第三個繞組上的電流為零，這種方法僅能產(chǎn)生具有六個方向共中之一的電流空間矢量。隨著電機的轉(zhuǎn)向，電機終端的電流在每轉(zhuǎn)60度時，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)動波形和整流處的轉(zhuǎn)矩

 

因此每個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個不同的方向上進行步升時，它將接近平衡旋轉(zhuǎn)。

 

在像空調(diào)和冰霜這樣的電機應(yīng)用中，采用霍爾傳感器并不是一個不變的選擇。在非聯(lián)繞組中感應(yīng)的反電動勢傳感器可以用來取得相同的結(jié)果。

 

這種梯形驅(qū)動系統(tǒng)因其控制電路的簡易性而非常普通，但是它們在整流過程中卻要遭遇轉(zhuǎn)矩紋波問題。

 

BDLC電機的正弦整流換向

 

梯形整流換向還不足以為提供平衡、精準(zhǔn)的無刷直流電機控制。這主要是因為在一個三相無刷電機（帶有一個正統(tǒng)波反電動勢）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（一個獨立于轉(zhuǎn)軸角度的常數(shù)）

 

正弦整流換向無刷電機控制器努力驅(qū)動三個電機繞組，其三路電流隨著電機轉(zhuǎn)動而平穩(wěn)的進行正弦變化。選擇這些電流的相關(guān)相位，這樣它們將會產(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。

 

為了隨著電機的旋轉(zhuǎn)，生成電機電流的平穩(wěn)的正弦波調(diào)制，就要求對于轉(zhuǎn)子位置有一個精確有測量?；魻柶骷H提供了對于轉(zhuǎn)子位置的粗略計算，還不足以達到目的要求?；谶@個原因，就要求從編碼器或相似器件發(fā)出角反饋。

 

圖3：BLDC電機正弦波控制器的簡化框圖

 

由于繞組電流必須結(jié)合產(chǎn)生一個平穩(wěn)的常量轉(zhuǎn)子電流空間矢量，而且定子繞組的每個定位相距120度角，因此每個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兩個正弦波進行合成，兩個間的相移為120度。然后，將這些信號乘以轉(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，兩個正弦波電流命令得到恰當(dāng)?shù)亩ㄏ?，從而在正交方向產(chǎn)生轉(zhuǎn)動定子電流空間矢量。

 

正弦電流命令信號輸出一對在兩個適當(dāng)?shù)碾姍C繞組中調(diào)制電流的P-I控制器。第三個轉(zhuǎn)子繞組中的電流是受控繞組電流的負和，因此不能被分別控制。每個P-I控制器的輸出被送到一個PWM調(diào)制器，然后送到輸出橋和兩個電機終端。應(yīng)用到第三個電機終端的電壓源于應(yīng)用到前兩個線組的信號的負數(shù)和，適當(dāng)用于分別間隔120度的三個正弦電壓。

 

結(jié)果，實際輸出電流波型精確的跟蹤正弦電流命令信號，所得電流空間矢量平穩(wěn)轉(zhuǎn)動，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，由于其在低電機速度下效率很高，在高電機速度下將會分開。這是由于速度提高，電流回流控制器必須跟蹤一個增加頻率的正弦信號。同時，它們必須克服隨著速度提高在振幅和頻率下增加的電機的反電動勢。

 

由于P-I控制器具有有限增益和頻率響應(yīng)，對于電流控制回路的時間變量干擾將引起相位滯后和電機電流中的增益誤差，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，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，轉(zhuǎn)矩減至為零。通過正弦的結(jié)合，上面這點的速度導(dǎo)致了負轉(zhuǎn)矩，因此也就無法實現(xiàn)。

 

作者：瑞薩

 

 

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