無刷直流電機(jī)第2部分：控制原理

在本文第一部分了解了 BLDC 電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本工作原理后，了解可用于電機(jī)可靠運(yùn)行和保護(hù)的電機(jī)控制選項(xiàng)變得很重要。根據(jù)所服務(wù)的功能，電機(jī)控制可分為以下類別：

· 速度控制

· 扭矩控制

· 電機(jī)保護(hù)

實(shí)現(xiàn)這些控制功能需要監(jiān)控一個(gè)或多個(gè)電機(jī)參數(shù)，然后采取相應(yīng)的措施來實(shí)現(xiàn)所需的功能。在深入了解這些控制功能實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)之前，了解建立電機(jī)旋轉(zhuǎn)或建立換向所需的邏輯和硬件的實(shí)現(xiàn)非常重要。

換向?qū)嵤?

如本文前面部分所述，根據(jù)電機(jī)的位置(使用反饋傳感器識別)，三個(gè)電氣繞組中的兩個(gè)一次通電。為了能夠?yàn)槔@組通電，需要外部電路能夠滿足電機(jī)的電流要求。三相繞組連接的典型控制電路如圖 1 所示。V1、V3、V5 和 V2、V4、V6 構(gòu)成一個(gè)跨接電源的三相電壓源逆變器。V1 和 V4 形成一個(gè)橋。V1 為高壓側(cè)，連接到高壓直流電源，而 V4 為低壓側(cè)，連接到地。

通過調(diào)節(jié)功率器件的高邊和低邊(通過信號 V1H、V3H、V5H 和 V2L、V4L、v6L)，可以控制流過定子繞組的電流。例如，如果電流必須流入RED繞組并從BLUE繞組流出，打開V1和V6同時(shí)保持其他信號將導(dǎo)致電流沿所需方向流動，如圖2(A)所示. 接下來，通過打開 V5 和 V6 并關(guān)閉所有其他信號，電流可以切換為從綠色繞組流入和從藍(lán)色繞組流出，如圖 2 (B) 所示。

按照相同的程序，可以生成 BLDC 電機(jī)的 6 步驅(qū)動序列。表 1 提供了基于霍爾傳感器輸出的電源電路的開關(guān)順序。

但是，如果必須顛倒旋轉(zhuǎn)，則也需要顛倒順序。圖 3 顯示了勵磁波形，包括相電流、相電壓、霍爾傳感器和扇區(qū)值。上半部分為三相繞組勵磁電流和電壓，其中黑線為相電流，綠、紅、藍(lán)線為相電壓。由于相電流是梯形的，我們稱之為 6 步 BLDC 控制梯形控制。

霍爾傳感器和激勵有固定的關(guān)系。通常，有兩種類型的霍爾傳感器。對于第一種類型，對于每個(gè)霍爾相位，它們的波形都有 60 度的延時(shí)。對于第二種類型，波形延時(shí)為 120 度。

對換向有了基本的了解，現(xiàn)在讓我們切換到控制功能的實(shí)現(xiàn)，這對任何電機(jī)設(shè)計(jì)都至關(guān)重要。

速度控制

遵循給定順序的換向順序有助于確保電機(jī)的正確旋轉(zhuǎn)。因此，電機(jī)速度取決于所施加電壓的幅度。通過使用脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 來調(diào)整施加信號的幅度。圖 4 顯示了各種功率器件的開關(guān)信號。

從上圖中可以看出，高端晶體管是使用 PWM 驅(qū)動的。通過控制 PWM 信號的占空比，可以控制施加電壓的幅度，進(jìn)而控制電機(jī)的速度。為了能夠平穩(wěn)地達(dá)到所需的速度，PI 控制回路的實(shí)施如圖 5 所示。

所需速度與實(shí)際速度之間的差值輸入 PI 控制器，然后根據(jù)實(shí)際速度與所需速度之間的差值獲得的誤差信號調(diào)制 PWM 的占空比。

扭矩控制

扭矩控制在各種應(yīng)用中很重要，在這些應(yīng)用中，在給定的時(shí)間點(diǎn)，無論電機(jī)運(yùn)行的負(fù)載和速度如何變化，電機(jī)都需要提供特定的扭矩。扭矩可以通過調(diào)整磁通量來控制，但是磁通量計(jì)算需要復(fù)雜的邏輯。然而，磁通量取決于流過繞組的電流。因此，通過控制電流，可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。

圖 6 顯示了轉(zhuǎn)矩控制實(shí)現(xiàn)邏輯。通過保持流過繞組的電流，可以控制轉(zhuǎn)矩?？梢詫?shí)施類似于用于控制速度的 PI 環(huán)，以使轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線隨著負(fù)載的變化而變得平滑。

電機(jī)保護(hù)

在電機(jī)控制設(shè)計(jì)中，具有保護(hù)邏輯以確保系統(tǒng)安全運(yùn)行非常重要。例如，當(dāng)電機(jī)卡住時(shí)，通過繞組的電流會累積到非常高的水平，這會燒毀驅(qū)動電機(jī)的功率器件。

峰值電流 -這是為了安全運(yùn)行而允許流過繞組的最大瞬時(shí)電流。這種情況發(fā)生在短路的情況下。只要電流超過峰值電流限制，就會應(yīng)用硬件保護(hù)來終止 PWM 輸出。

最大工作電流 - 這是電機(jī)停轉(zhuǎn)或過載時(shí)的最大輸出電流。該電流可由應(yīng)用固件控制。該邏輯的實(shí)現(xiàn)類似于轉(zhuǎn)矩控制。

欠壓 - 當(dāng)系統(tǒng)使用電池運(yùn)行時(shí)，如果電池電壓低于特定限制，則切斷電源變得很重要。由于電壓下降是一個(gè)緩慢的過程，因此可以通過固件進(jìn)行控制。

霍爾傳感器故障 ——在基于傳感器的 BLDC 電機(jī)中，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)完全基于從霍爾傳感器獲得的反饋。因此，在霍爾傳感器發(fā)生故障的情況下，換向順序?qū)⒅袛?，這可能導(dǎo)致 BLDC 電機(jī)卡住，并且電流上升到特定限制之上。霍爾傳感器故障可以在固件中通過檢查霍爾傳感器信號是否改變其邏輯電平來檢測。如果它卡在特定水平，則可以將其檢測為故障，并且可以斷開電機(jī)驅(qū)動器，使其慣性運(yùn)行或通過應(yīng)用制動器停止。要采取的行動取決于設(shè)計(jì)的要求。

市場上有可以進(jìn)行 BLDC 電機(jī)控制的控制器。隨著片上系統(tǒng) (SOC) 控制器的出現(xiàn)，用于實(shí)現(xiàn) BLDC 電機(jī)控制的完整控制邏輯可以在單個(gè)器件中實(shí)現(xiàn)。這不僅有助于降低成本，而且這種集成提供了靈活性，使設(shè)計(jì)人員能夠根據(jù)特定應(yīng)用的要求管理系統(tǒng)控制。

圖 7 顯示了使用賽普拉斯的旗艦控制器可編程片上系統(tǒng) (PSoC) – CY8C24533 的電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在這個(gè)使用霍爾傳感器輸入的設(shè)計(jì)中，換向順序是通過產(chǎn)生 PWM 信號來控制的。該器件具有內(nèi)置 ADC、放大器 (PGA) 和比較器 (CMP)，用于測量電壓和電流，以實(shí)現(xiàn)速度和轉(zhuǎn)矩控制。PI 控制環(huán)在固件中實(shí)現(xiàn)以在 CPU 上執(zhí)行。對于過流保護(hù)，比較器 (CMP) 用于在過流的情況下終止 PWM 輸出。器件內(nèi)部可用的 CMP 模塊提供內(nèi)部可編程閾值電壓，用于適應(yīng)寬電流范圍內(nèi)的電機(jī)。