BLDC和PMSM電機(jī)的構(gòu)造及驅(qū)動(dòng)方案介紹

無(wú)刷直流(BLDC)和永磁同步電機(jī)(PMSM)現(xiàn)在在許多應(yīng)用中受到青睞，但運(yùn)行它們的控制軟件可能難以實(shí)現(xiàn)。恩智浦的Kinetis電機(jī)套件彌補(bǔ)了與嵌入式控制軟件和直觀GUI的差距，最大限度地降低了軟件的復(fù)雜性并加快了開發(fā)過(guò)程。

本文將簡(jiǎn)要介紹BLDC和PMSM電機(jī)的構(gòu)造和關(guān)鍵操作參數(shù)，然后介紹如何驅(qū)動(dòng)它們。然后，它將討論軟件為何復(fù)雜，如何管理以及一些硬件選項(xiàng)。然后，它將研究如何使用恩智浦的Kinetis電機(jī)套件啟動(dòng)和運(yùn)行項(xiàng)目。

三相無(wú)刷直流電機(jī)(BLDC)及其近似同類電機(jī)，永磁同步電機(jī)(PMSM)已成為在過(guò)去十年中，由于其控制電子設(shè)備的成本急劇下降，新的控制算法激增，因此在過(guò)去的十年中，工業(yè)領(lǐng)域也越來(lái)BLDC電機(jī)具有高可靠性，高效率和高功率體積比。它們可以高速運(yùn)行(大于10,000 rpm)，具有低轉(zhuǎn)子慣量，允許快速加速，減速和快速反向，并具有高功率密度，將大量扭矩包裝成緊湊的尺寸。今天，它們被用于任何數(shù)量的應(yīng)用，包括風(fēng)扇，泵，真空吸塵器，四軸轉(zhuǎn)換器和醫(yī)療設(shè)備，僅舉幾例。

PMSM與帶有繞線定子和永磁轉(zhuǎn)子的BLDC具有相似的結(jié)構(gòu)，但定子結(jié)構(gòu)和繞組更類似于AC感應(yīng)電機(jī)，在氣隙中產(chǎn)生正弦磁通密度。 PMSM與施加的三相交流電壓同步運(yùn)行，并且具有比交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)更高的功率密度，因?yàn)闆]有定子功率用于感應(yīng)轉(zhuǎn)子中的磁場(chǎng)。今天的設(shè)計(jì)也更強(qiáng)大，同時(shí)具有更低的質(zhì)量和慣性矩，使其對(duì)工業(yè)驅(qū)動(dòng)，牽引應(yīng)用和電器具有吸引力。

創(chuàng)造驅(qū)動(dòng)器

鑒于這些優(yōu)勢(shì)，它不是不知道這些電機(jī)是如此受歡迎。然而，沒有任何東西沒有價(jià)格，在這種情況下，驅(qū)動(dòng)和控制電路的復(fù)雜性。消除換向電刷(及其伴隨的可靠性問題)使得需要電氣換向以產(chǎn)生定子旋轉(zhuǎn)場(chǎng)。這需要一個(gè)功率級(jí)(圖1)。

圖1：三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)的簡(jiǎn)化框圖。三個(gè)半橋在控制器的指導(dǎo)下切換電機(jī)相電流，其輸出由前置驅(qū)動(dòng)器放大和電平移位。 (使用Digi-Key方案繪制的圖表 - 它)

星形連接的電機(jī)相連接到三個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)電路。這些使用功率FET來(lái)切換總線功率以激勵(lì)繞組，但是也可以使用其他類型的功率器件，例如IGBT。 FET由預(yù)驅(qū)動(dòng)器級(jí)驅(qū)動(dòng)，該級(jí)驅(qū)動(dòng)器級(jí)電平移位并放大來(lái)自電機(jī)控制器的相位輸入，電機(jī)控制器可以是MCU，DSP，F(xiàn)PGA狀態(tài)機(jī)或其他一些可編程控制器。使用來(lái)自電機(jī)的反饋(圖1中未顯示)，控制器對(duì)橋式FET進(jìn)行排序以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而拉動(dòng)轉(zhuǎn)子。

有兩種常見的波形用于實(shí)現(xiàn)此目的。第一種是六步梯形驅(qū)動(dòng)器，其中360度電旋轉(zhuǎn)分成60度的步進(jìn)。第二種是正弦驅(qū)動(dòng)，其中偏移120度的PWM正弦電壓波形在電機(jī)相位中被驅(qū)動(dòng)。梯形控制通常與BLDC電機(jī)一起使用，因?yàn)樗菀讓?shí)現(xiàn)。正弦波控制可提供更高的電機(jī)效率和更小的紋波，并可與BLDC電機(jī)和PMSM一起使用。

圖1所示的電路可以通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)。對(duì)于風(fēng)扇控制等低功耗，單功能應(yīng)用，所有模塊都可以集成到一個(gè)芯片中。對(duì)于醫(yī)療設(shè)備等更復(fù)雜的應(yīng)用，可以將預(yù)驅(qū)動(dòng)器和功率FET集成到一個(gè)IC中?？刂破魇菃为?dú)實(shí)現(xiàn)的，因此它可以處理應(yīng)用程序中的其他功能。對(duì)于大功率工業(yè)或電動(dòng)車輛驅(qū)動(dòng)器，控制器，預(yù)驅(qū)動(dòng)器和功率級(jí)都是分開的。在電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的高總線電壓與控制器的低壓信號(hào)之間增加了電流隔離。

控制電流

由于電流需要調(diào)整到在變化的負(fù)載下控制速度，必須采用反饋控制機(jī)制。這是它變得復(fù)雜的地方。為了獲得具有良好動(dòng)態(tài)扭矩響應(yīng)的良好速度控制，在正弦驅(qū)動(dòng)中采用稱為矢量控制(也稱為磁場(chǎng)定向控制或FOC)的技術(shù)。

FOC的詳細(xì)信息超出了本文的范圍。本質(zhì)上，使用矩陣運(yùn)算測(cè)量定子相電流，然后從三維轉(zhuǎn)換為二維坐標(biāo)空間。得到的2D矢量表示電動(dòng)機(jī)磁鏈和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。通常，然后使用比例積分(PI)控制器來(lái)調(diào)整這些2D電流分量以匹配外部速度控制環(huán)路(由另一個(gè)PI控制器確定)的需要，然后再轉(zhuǎn)換回3D相量電流以應(yīng)用于6步驅(qū)動(dòng)。

為了使控制方程起作用，需要確定電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。除了在電機(jī)中嵌入真正的軸編碼器外，還有兩個(gè)主要選擇：使用霍爾效應(yīng)傳感器，稱為傳感器控制;或檢測(cè)電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)(電動(dòng)勢(shì))，稱為無(wú)傳感器控制。無(wú)傳感器由于成本較低而成為最常見的，但兩者都需要電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)才能感應(yīng)真實(shí)位置。在這種情況下，電機(jī)啟動(dòng)可能會(huì)非常棘手，因?yàn)樗枰蚤_環(huán)模式啟動(dòng)，直到確定電機(jī)位置。

控制軟件開發(fā)完成后，需要調(diào)整控制系統(tǒng)。必須調(diào)整PI控制器的參數(shù)以匹配電機(jī)類型，負(fù)載變化和其他潛在的干擾因素。這些參數(shù)控制控制器的階躍響應(yīng)和帶寬。如果它們?cè)O(shè)置得太低，電機(jī)響應(yīng)會(huì)滯后。如果它們?cè)O(shè)置得太高，控制器可能會(huì)振蕩并變得不穩(wěn)定。編寫和調(diào)試控制軟件后，通常需要數(shù)月的測(cè)試和調(diào)整才能在所有條件下獲得所需的響應(yīng)。

管理軟件復(fù)雜性

這些控制方程所涉及的數(shù)學(xué)復(fù)雜性使得計(jì)算平臺(tái)需要增強(qiáng)的數(shù)學(xué)或DSP指令。它還需要具有快速的模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換功能來(lái)測(cè)量電機(jī)電流，以及專門的定時(shí)器模塊，以產(chǎn)生精確對(duì)準(zhǔn)的PWM信號(hào)。將這些功能卸載到DSP或其他專用處理器，可以釋放CPU以執(zhí)行其他應(yīng)用程序任務(wù)。

幸運(yùn)的是，目前市場(chǎng)上出現(xiàn)了專門針對(duì)FOC電機(jī)控制的低成本MCU。例如，恩智浦提供一系列基于ARM®Cortex®-M的電機(jī)控制設(shè)備，稱為Kinetis V系列(圖2)。

圖2：恩智浦Kinetis V系列基于ARM Cortex-M的MCU具有高性能內(nèi)核，電機(jī)控制定時(shí)器，快速A/D轉(zhuǎn)換器以及各種存儲(chǔ)器和封裝尺寸。 (圖像：NXP)

Kinetis V系列可擴(kuò)展核心功能，存儲(chǔ)器大小，定時(shí)器和A/D轉(zhuǎn)換器通道，數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)和比較器。這樣可以在低端優(yōu)化實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的BLDC速度控制，一直到高端設(shè)備的多個(gè)PMSM。 KV1x MCU系列中的Cortex-M0 +內(nèi)核增加了硬件平方根和除法功能。這使得Kinetis KV1x器件適用于負(fù)載相對(duì)恒定且控制環(huán)路頻率低于12 KHz的BLDC和PMSM電機(jī)。

Kinetis KV3x和KV4x MCU系列使用支持DSP的Cortex-M4內(nèi)核函數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)學(xué)。這些器件可支持更高動(dòng)態(tài)負(fù)載應(yīng)用，控制環(huán)路高達(dá)20 KHz，并提供極高性能的解決方案。 Kinetis KV5x MCU系列具有Cortex-M7內(nèi)核以及以太網(wǎng)連接和安全I(xiàn)P。

FlexTimer和eFlexPWM定時(shí)器支持死區(qū)時(shí)間插入，以消除當(dāng)相位關(guān)閉時(shí)的電流射擊，以及其他電機(jī)專用功能。 FlexTimer每個(gè)定時(shí)器模塊具有單個(gè)時(shí)基，而eFlexPWM每個(gè)PWM模塊最多可支持四個(gè)時(shí)基，為高級(jí)電機(jī)控制算法的PWM生成和同步提供了極大的靈活性。

A/D模塊可同時(shí)捕獲和處理兩個(gè)信號(hào)，這對(duì)于無(wú)傳感器控制非常重要。采樣頻率在高端設(shè)備上增加。所有器件還具有一個(gè)或多個(gè)12位D/A和相應(yīng)數(shù)量的比較器，相對(duì)于PWM通道的數(shù)量，具有6位參考D/A轉(zhuǎn)換器。

電機(jī)控制優(yōu)化處理器是等式的一部分，但仍然存在開發(fā)FOC軟件的問題，F(xiàn)OC軟件過(guò)去需要在電機(jī)管理和控制理論方面具有深厚的專業(yè)知識(shí)。然而，由于恩智浦提供了一種新的免費(fèi)工具--Kinetis Motor Suite(KMS)，現(xiàn)在已經(jīng)減少了這一障礙。

KMS是一種硬件和軟件解決方案，包含專有的FOC電機(jī)控制IP。選定的Kinetis V系列MCU上的受保護(hù)閃存和一個(gè)簡(jiǎn)單易用的GUI，用于設(shè)置和調(diào)整電機(jī)系統(tǒng)。 KMS消除了對(duì)電機(jī)控制的深入了解的需要，允許那些專業(yè)知識(shí)有限的人開發(fā)應(yīng)用程序，然后將其與其他應(yīng)用軟件嵌入。 KMS可以在短短30分鐘內(nèi)運(yùn)行并調(diào)整電機(jī)。

KMS入門

以下是如何開始開發(fā)自己的電機(jī)控制解決方案。最簡(jiǎn)單的方法是購(gòu)買FRDM-V31F Freedom開發(fā)平臺(tái)和相應(yīng)的高壓或低壓平臺(tái)驅(qū)動(dòng)板。在這種情況下，我們將使用FRDM-MC-LVPMSM Freedom評(píng)估板。如果您是塔式系統(tǒng)開發(fā)板用戶，則該平臺(tái)還有適用的處理器和驅(qū)動(dòng)板。

為此，您需要添加電機(jī)和適當(dāng)?shù)碾娫措妷褐绷麟娫?。如果你沒有電機(jī)，一個(gè)很好的選擇是FRDM-MC-LVMTR-ND，這是恩智浦用于Freedom Development Kit的24 V，3相BLDC電機(jī)。

FRDM-V31F板上有MKV31F128VLH10P微控制器。這包含嵌入式KMS IP。請(qǐng)注意，只有帶有“P”后綴的Kinetis微控制器包含KMS IP。

獲得主板后，就可以從Kinetis Motor Suite入門頁(yè)面獲取軟件工具，其中有鏈接可下載您需要的三種工具，包括：

Kinetis軟件開發(fā)套件(KSDK)

Kinetis設(shè)計(jì)工作室(KDS)集成開發(fā)環(huán)境(IDE)

Kinetis電機(jī)套件。

現(xiàn)在是時(shí)候組裝硬件了。通過(guò)將三相FRDM-MC-LVPMSM板插入FRDM-KV31F板并將FRDM-MC-LVPMSM板置于頂部，將兩塊Freedom板連接在一起。將電機(jī)的三相端子連接到FRDM-MC-LVPMSM板，并通過(guò)電源輸入插孔連接電機(jī)電壓。在計(jì)算機(jī)和FRDM-KV31F之間連接USB-mini-USB線。微控制器板上的綠色電源LED應(yīng)亮起，同一板上的RGB LED應(yīng)閃爍。您現(xiàn)在可以進(jìn)行電機(jī)測(cè)量并旋轉(zhuǎn)電機(jī)。

啟動(dòng)Kinetis Motor Suite并選擇一個(gè)新項(xiàng)目。它將要求您識(shí)別您的硬件平臺(tái)(Freedom，High Voltage或Tower系統(tǒng))，控制類型(Sensored Position，無(wú)傳感器速度或感應(yīng)速度)和開發(fā)環(huán)境(IAR或Kinetis Design Studio IDE。)

在為項(xiàng)目命名并選擇COM端口后，系統(tǒng)會(huì)要求您輸入電機(jī)的基本信息。您需要知道電機(jī)的額定速度，額定RMS電流，額定電壓和極對(duì)數(shù)(圖3)。

圖3： KMS屏幕輸入電機(jī)信息。顯示的值適用于FRDM-MC-LVMTR板。嵌入式控制算法使用這些值來(lái)控制電機(jī)。 (圖像：恩智浦)

一旦輸入，KMS將激活并旋轉(zhuǎn)電機(jī)以測(cè)量其電氣特性 - 定子電阻，定子電感和定子磁通(圖4)。稍后需要這些來(lái)調(diào)整電機(jī)控制參數(shù)。在此步驟中確保電機(jī)與負(fù)載斷開連接。

圖4：KMS屏幕，用于測(cè)量電機(jī)電氣特性。 KMS在測(cè)量和旋轉(zhuǎn)電機(jī)時(shí)更新這些值。 (圖片：恩智浦)

接下來(lái)，KMS將通過(guò)快速旋轉(zhuǎn)電機(jī)來(lái)測(cè)量系統(tǒng)的機(jī)械慣性。這應(yīng)該是裸軸或連接到其他系統(tǒng)機(jī)械部件，如齒輪或皮帶，而不是動(dòng)態(tài)負(fù)載。

KMS現(xiàn)在擁有以額定速度運(yùn)行電機(jī)所需的所有信息。只需單擊鼠標(biāo)即可開始測(cè)試，KMS將打開一個(gè)軟件示波器，向您顯示電機(jī)啟動(dòng)，從開環(huán)控制到閉環(huán)控制的轉(zhuǎn)換，然后升至額定速度(圖5)。

圖5：KMS啟動(dòng)電機(jī)并斜坡上升到額定速度，同時(shí)在速度/時(shí)間圖表上顯示RPM。 (圖像：NXP)

通過(guò)執(zhí)行這四個(gè)步驟，KMS確定了必要的參數(shù)并編程了控制回路以使電機(jī)運(yùn)行，而無(wú)需編寫一行控制代碼。

調(diào)高

但是，我們還沒有調(diào)整電機(jī)。 KMS還通過(guò)使用自抗擾控制(ADRC)來(lái)幫助完成這項(xiàng)經(jīng)常困難的任務(wù)。這是Linestream Technologies的SpinTAC™控制系統(tǒng)的一部分，嵌入在KMS中。 ADRC取代了KMS中的比例積分微分(PID)控制，并使用設(shè)置步驟中的電機(jī)特性和系統(tǒng)慣量來(lái)調(diào)節(jié)控制器。用戶只需要設(shè)置一個(gè)參數(shù)：帶寬。這需要兩個(gè)步驟來(lái)調(diào)整電機(jī)。

第一步是以最小速度運(yùn)行電機(jī)，并使用KMS速度控制器設(shè)置產(chǎn)生穩(wěn)定速度的最大帶寬(圖6)。

圖6：KMS速度控制器輸入。單擊帶寬弧將設(shè)置新值。 (圖像：NXP)

然后以最大速度運(yùn)行電機(jī)并根據(jù)需要調(diào)低帶寬，以獲得穩(wěn)定的操作。電機(jī)現(xiàn)已調(diào)整。

使用ADRC進(jìn)行調(diào)整不僅可以調(diào)整電機(jī)和慣量參數(shù)，還可以解決非理想情況下的其他干擾，例如負(fù)載變化，軸承磨損和摩擦變化。這樣做是因?yàn)樗鲃?dòng)估計(jì)這些干擾并實(shí)時(shí)補(bǔ)償它們，并且ADRC的性能優(yōu)于PI控制器。這顯示在圖7和8中。

圖7：應(yīng)用扭矩干擾的PI控制器與SpinTAC控制器的性能比較。與PI控制器相比，SpinTAC控制器具有更少的誤差和更快的建立時(shí)間。

圖8：PI控制器與SpinTAC控制器的性能比較，用于去除扭矩騷亂。 SpinTAC控制器具有與PI控制器相同的誤差和更快的建立時(shí)間。

這些數(shù)據(jù)顯示PI和SpinTAC控制器對(duì)額定速度為75%的電機(jī)上的50%轉(zhuǎn)矩增加和移除的響應(yīng)。 SpinTAC控制器的初始控制器錯(cuò)誤更好或相同，并且建立時(shí)間比PI控制器更快。 ADRC的自適應(yīng)特性改善了控制器干擾范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)PI控制器，無(wú)需進(jìn)一步調(diào)整或運(yùn)行時(shí)調(diào)整。

后續(xù)步驟

有了它。您的電機(jī)正在運(yùn)行和調(diào)整，無(wú)需編寫一行代碼。但是，我們剛剛觸及了KMS的功能表面。它可用于編程運(yùn)動(dòng)序列，調(diào)整啟動(dòng)參數(shù)，執(zhí)行扭矩控制，提供制動(dòng)和保護(hù)功能，并為您的應(yīng)用微調(diào)許多參數(shù)。

當(dāng)然，要構(gòu)建您的最終產(chǎn)品，您需要調(diào)整KMS固件并將其轉(zhuǎn)換為最終硬件配置，并將其嵌入應(yīng)用程序固件中。恩智浦提供了一個(gè)全面的應(yīng)用筆記，用于轉(zhuǎn)換為您的自定義硬件以及完整的API參考手冊(cè)。您可以繼續(xù)使用KMS中的工具來(lái)調(diào)整和微調(diào)您的應(yīng)用程序，直到產(chǎn)品發(fā)布和調(diào)試。

結(jié)論

BLDC和PMSM是具有許多應(yīng)用的主力電機(jī)，但它們通常需要仔細(xì)注意位置感應(yīng)，驅(qū)動(dòng)電路和控制軟件。恩智浦通過(guò)引入KMS簡(jiǎn)化了開發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的任務(wù)。使用這種硬件和軟件解決方案，您不一定需要了解電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制的所有細(xì)節(jié)，因此即使專業(yè)知識(shí)有限，您也可以在短短30分鐘內(nèi)運(yùn)行電機(jī)并進(jìn)行調(diào)諧。