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(shí)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(hào) 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(hào)將導(dǎo)致電流沿所需方向流動(dòng)，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(hào)，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(dòng)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(lì)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(lì)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(lì)有固定的關(guān)系。通常，有兩種類型的霍爾傳感器。對(duì)于第一種類型，對(duì)于每個(gè)霍爾相位，它們的波形都有 60 度的延時(shí)。對(duì)于第二種類型，波形延時(shí)為 120 度。

對(duì)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(duì)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(hào)的幅度。圖 4 顯示了各種功率器件的開關(guān)信號(hào)。

從上圖中可以看出，高端晶體管是使用 PWM 驅(qū)動(dòng)的。通過控制 PWM 信號(hào)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(hào)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。可以實(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(huì)累積到非常高的水平，這會(huì)燒毀驅(qū)動(dòng)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(huì)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袛啵@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(hào)是否改變其邏輯電平來檢測(cè)。如果它卡在特定水平，則可以將其檢測(cè)為故障，并且可以斷開電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，使其慣性運(yùn)行或通過應(yīng)用制動(dòng)器停止。要采取的行動(dòng)取決于設(shè)計(jì)的要求。

市場(chǎng)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(hào)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(cè)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(duì)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)。