BLDC電機(jī)控制算法瑞薩_第1頁
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文檔簡介

1、BLDC 電機(jī)控制算法無刷電機(jī)屬于自換流型 (自我方向 I!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(jī)電流以及 PWM 信號進(jìn)行測量,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。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(bǔ)充的中心排列PWM 信號。為了感應(yīng)轉(zhuǎn)子位置,BLDC 電機(jī)采用霍爾效應(yīng)傳感器來提供絕對定位感應(yīng)。這就導(dǎo)致了更多線的使用和更

2、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(jī)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(jī)時,冰箱和空調(diào)壓縮機(jī)也需要無傳感器控制??蛰d時間的插入和補(bǔ)充大多數(shù) BLDC 電機(jī)不需要互補(bǔ)的 PWM、空載時間插入或空載時間補(bǔ)償。可能會要求這些特性的BLDC 應(yīng)用僅為高性能 BLDC 伺服電動機(jī)、正弦波激勵式 BLDC 電機(jī)、無刷 AC、或 PC 同步電 機(jī)??刂扑惴ㄔS多不同的控制算法都被用以提供對于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)動高功率電機(jī)時,這種方法并不

3、實用。高功率電機(jī)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(jī)速度的 PWM 電壓?用于對電機(jī)講整流換向的機(jī)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(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,BLDC 的扭矩速度特性與一下直流電機(jī)相同??梢杂每勺冸妷簛砜刂齐姍C(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間進(jìn)行整流換向。BLDC 電機(jī)的梯形整流換向圖 1 :用于

4、BLDC 電機(jī)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(jī)終端來控制電流,而第三個電機(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,它們在60 度的扇形區(qū)內(nèi)測量轉(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(jī)的轉(zhuǎn)向, 電機(jī)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。對于直流無刷電機(jī)的最簡單的方法之一是采用所謂的梯形整流換向圖 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

5、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 個不同的方向上進(jìn)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(jī)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(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。這主要是因為在一個三相無刷電機(jī)(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(? ) +ISSin(? +120)+

6、ITSin(? +240)其中?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= l0Sin? ;IS= l0Sin (+120? );IT= Sin (+240?)將得到轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩 =1.5l0*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(jī)控制器努力驅(qū)動三個電機(jī)繞組,其三路電流隨著電機(jī)轉(zhuǎn)動而平穩(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,就要求對于轉(zhuǎn)子位置有一個精確有測量

7、。霍爾器件僅提供了對于轉(zhuǎn)子位置的粗略計算,還不足以達(dá)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(jī)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(jìn)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啵瑥亩谡环较虍a(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(jī)繞組中調(diào)制電流的P-I 控制

8、器。第三個轉(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(jī)終端。應(yīng)用到第三個電機(jī)終端的電壓源于應(yīng)用到前兩個線組的信號的負(fù)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(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(jī)的反

9、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(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(fù)轉(zhuǎn)矩,因此也就無法實現(xiàn)。返回頁首AC 電機(jī)控制算法標(biāo)量控制標(biāo)量控制(或 V/Hz 控制)是一個控制指令電機(jī)速度的簡單方法指令電機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型主要用于獲得技術(shù)

10、,因此瞬態(tài)性能是不可能實現(xiàn)的。系統(tǒng)不具有電流回路。為了控制電機(jī),三相電源只有在振幅和頻率上變化。矢量控制或磁場定向控制在電動機(jī)中的轉(zhuǎn)矩隨著定子和轉(zhuǎn)子磁場的功能而變化,并且當(dāng)兩個磁場互相正交時達(dá)到峰值。在基于標(biāo)量的控制中,兩個磁場間的角度顯著變化。矢量控制設(shè)法在AC電機(jī)中再次創(chuàng)造正交關(guān)系。為了控制轉(zhuǎn)矩,各自從產(chǎn)生磁通量中生成電流, 以實現(xiàn) DC 機(jī)器的響應(yīng)性。一個 AC 指令電機(jī)的矢量控制與一個單獨的勵磁DC 電機(jī)控制相似。 在一個 DC 電機(jī)中,由勵磁電流IF所產(chǎn)生的磁場能量 中F與由電樞電流IA所產(chǎn)生的電樞磁通 中A正交。這些磁場都經(jīng)過去耦 并且相互間很穩(wěn)定。因此,當(dāng)電樞電流受控以控制轉(zhuǎn)矩時

11、,磁場能量仍保持不受影響,并實現(xiàn)了更快的瞬態(tài)響應(yīng)。三相 AC 電機(jī)的磁場定向控制 (FOC )包括模仿 DC 電機(jī)的操作。所有受控變量都通過數(shù)學(xué)變換, 被轉(zhuǎn)換到 DC而非 AC。其目標(biāo)的獨立的控制轉(zhuǎn)矩和磁通。磁場定向控制(FOC)有兩種方法:直接 FOC:轉(zhuǎn)子磁場的方向(Rotor flux angle)是通過磁通觀測器直接計算得到的間接 FOC:轉(zhuǎn)子磁場的方向(Rotor flux angle)是通過對轉(zhuǎn)子速度和滑差 (slip)的估算或測量而間接獲得的。矢量控制要求了解轉(zhuǎn)子磁通的位置,并可以運用終端電流和電壓(采用 AC 感應(yīng)電機(jī)的動態(tài)模型)的知識,通過高級算法來計算。然而從實現(xiàn)的角度看,

12、對于計算資源的需求是至關(guān)重要的??梢圆捎貌煌姆绞絹韺崿F(xiàn)矢量控制算法。前饋技術(shù)、模型估算和自適應(yīng)控制技術(shù)都可用于增強(qiáng)響應(yīng)和穩(wěn)定性。AC 電機(jī)的矢量控制:深入了解矢量控制算法的核心是兩個重要的轉(zhuǎn)換:Clark 轉(zhuǎn)換,Park 轉(zhuǎn)換和它們的逆運算。采用 Clark 和Park 轉(zhuǎn)換,帶來可以控制到轉(zhuǎn)子區(qū)域的轉(zhuǎn)子電流。這種做充許一個轉(zhuǎn)子控制系統(tǒng)決定應(yīng)供應(yīng)到 轉(zhuǎn)子的電壓,以使動態(tài)變化負(fù)載下的轉(zhuǎn)矩最大化。Clark 轉(zhuǎn)換: Clark 數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換將一個三相系統(tǒng)修改成兩個坐標(biāo)系統(tǒng):其中 la和 lb正交基準(zhǔn)面的組成部分,Io是不重要的 homoplanar 部分圖 4:三相轉(zhuǎn)子電流與轉(zhuǎn)動參考系的關(guān)系Park

13、 轉(zhuǎn)換:Park 數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換將雙向靜態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)動系統(tǒng)矢量兩相 a ,幀表示通過 Clarke 轉(zhuǎn)換進(jìn)行計算,然后輸入到矢量轉(zhuǎn)動模塊,它在這里轉(zhuǎn)動角。,以符合附著于轉(zhuǎn)子能量的d, q 幀。根據(jù)上述公式,實現(xiàn)了角度。的轉(zhuǎn)換。AC 電機(jī)的磁場定向矢量控制的基本結(jié)構(gòu) 圖 2 顯示了 AC 電機(jī)磁場定向矢量控制的基本結(jié)構(gòu)。Clarke 變換采用三相電流IA,舊以及 IC ,來計算兩相正交定子軸的電流I?和 I?。這兩個在固定座標(biāo)定子相中的電流被變換成Isd 和 Isq,成為 Park 變換 d, q 中的元素。其通過電機(jī)通量模型來計算的電流 Isd, Isq 以及瞬時流量角。被用來計算交流感應(yīng)電機(jī)的電

14、動扭矩。圖 2:矢量控制交流電機(jī)的基本原理這些導(dǎo)出值與參考值相互比較,并由PI 控制器更新。表 1 : 電動機(jī)標(biāo)量控制和矢量控制的比較:控制參數(shù)V/Hz 控制矢量控制無傳感器矢量控制速度調(diào)節(jié)1%0.001%0.05%轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)Poor+/- 2%+/- 5%電機(jī)模型不要求要求要求精確的模型MCU 處理功率低高高 + DSP基于矢量的電機(jī)控制的一個固有優(yōu)勢是,可以采用同一原理,選擇適合的數(shù)學(xué)模型去分別控制各種類型的 AC, PM-AC 或者 BLDC 電機(jī)。BLDC 電機(jī)的矢量控制BLDC 電機(jī)是磁場定向矢量控制的主要選擇。采用了 FOC 的無刷電機(jī)可以獲得更高的效率,最 高效率可以達(dá)到95% ,

15、并且對電機(jī)在高速時也十分有效率。返回頁首步進(jìn)電機(jī)控制算法步進(jìn)電機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)控制通常采用雙向驅(qū)動電流,其電機(jī)步進(jìn)由按順序切換繞組來實現(xiàn)。通常這種步進(jìn)電機(jī)有 3 個驅(qū)動順序:1. 單相全步進(jìn)驅(qū)動:在這種模式中,其繞組按如下順序加電,AB/CD/BA/DC (BA 表示繞組 AB 的加電是反方向進(jìn)行的)。這順序被稱為單相全步進(jìn)模式,或者波驅(qū)動模式。在任何個時間,只有相加電。2. 雙相全步進(jìn)驅(qū)動:在這種模式中,雙相一起加電,因此,轉(zhuǎn)子總是在兩個極之間。此模式被稱為雙相全步進(jìn),這一 模式是兩極電機(jī)的常態(tài)驅(qū)動順序,可輸出的扭矩最大。3 半步進(jìn)模式 :這種模式將單相步進(jìn)和雙相步進(jìn)結(jié)合在一起加 電: 單相加

16、 電,然后雙相加 電,然后單相加 電,因此,電機(jī)以半步進(jìn)增量運轉(zhuǎn)。這一模式被稱為半步進(jìn)模式,其電機(jī)每個勵磁的有效步距角減少了一半,其輸出的扭矩也較低。以上 3 種模式均可用于反方向轉(zhuǎn)動 (逆時針方向),如果順序相反則不行。通常,步進(jìn)電機(jī)具有多極,以便減小步距角,但是,繞組的數(shù)量和驅(qū)動順序是不變的返回頁首通用 DC 電機(jī)控制算法通用電機(jī)的速度控制,特別是采用2 種電路的電機(jī):1. 相角控制2. PWM 斬波控制相角控制相角控制是通用電機(jī)速度控制的最簡單的方法。通過TRIAC 的點弧角的變動來控制速度。相角控制是非常經(jīng)濟(jì)的解決方案,但是,效率不太高,易于電磁干擾(EMI)。通用電機(jī)的相角控制以上示圖表明了相角控制的機(jī)理,是 TRIAC 速度控制的

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