BLDC和PMSM電機(jī)的構(gòu)造及驅(qū)動方案介紹-設(shè)計應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯BLDC和PMSM電機(jī)的構(gòu)造及驅(qū)動方案介紹-設(shè)計應(yīng)用無刷直流（BLDC））和永磁同步電機(jī)（PMSM）現(xiàn)在在許多應(yīng)用中受到青睞，但運行它們的控制軟件可能難以實現(xiàn)。恩智浦的Kineti）s電機(jī)套件彌補(bǔ)了與嵌入式控制軟件和直觀GUI的差距，限度地降低了軟件的復(fù)雜性并加快了開發(fā)過程。

本文將簡要介紹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。然后，它將研究如何使用恩智浦的Kinetis電機(jī)套件啟動和運行項目。

三相無刷直流電機(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，因此在過去的十年中，工業(yè)領(lǐng)域也越來BLDC電機(jī)具有高可靠性，高效率和高功率體積比。它們可以高速運行（大于10,000rpm），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行，并且具有比交流感應(yīng)電動機(jī)）更高的功率密度，因為沒有定子功率用于感應(yīng)轉(zhuǎn)子中的磁場。今天的設(shè)計也更強(qiáng)大，同時具有更低的質(zhì)量和慣性矩，使其對工業(yè)驅(qū)動，牽引應(yīng)用和電器具有吸引力。

創(chuàng)造驅(qū)動器

鑒于這些優(yōu)勢，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格，在這種情況下，驅(qū)動和控制電路）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。這需要一個功率級（圖1）。

圖1：三相電）機(jī)驅(qū)動的簡化框圖。三個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)相連接到三個半橋驅(qū)動電路。這些使用功率FET來切換總線功率以激勵繞組，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)動器級驅(qū)動，該級驅(qū)動器級電平移位并放大來自電機(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。使用來自電機(jī)的反饋（圖1中未顯示），控制器對橋式FET進(jìn)行排序以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，從而拉動轉(zhuǎn)子。

有兩種常見的波形用于實現(xiàn)此目的。種是六步梯形驅(qū)動器，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，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。梯形控制通常與BLDC電機(jī)一起使用，因為它更容易實現(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多種方式實現(xiàn)。對于風(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芯片中。對于醫(yī)療設(shè)備等更復(fù)雜的應(yīng)用，可以將預(yù)驅(qū)動器和功率FET集成到一個IC中?？刂破魇菃为殞崿F(xiàn)的，因此它可以處理應(yīng)用程序中的其他功能。對于大功率工業(yè)或電動車輛驅(qū)動器，控制器，預(yù)驅(qū)動器和功率級都是分開的。在電機(jī)和驅(qū)動器的高總線電壓與控制器的低壓信號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態(tài)扭矩響應(yīng)的良好速度控制，在正弦驅(qū)動中采用稱為矢量控制（也稱為磁場定向控制或FOC）的技術(shù)。

FOC的詳細(xì)信息超出了本文的范圍。本質(zhì)上，使用矩陣運算測量定子相電流，然后從三維轉(zhuǎn)換為二維坐標(biāo)空間。得到的2D矢量表示電動機(jī)磁鏈和電動機(jī)轉(zhuǎn)矩。通常，然后使用比例積分（PI））控制器來調(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。

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，還有兩個主要選擇：使用霍爾效應(yīng)傳感器），稱為傳感器控制;或檢測電機(jī)的反電動勢（電動勢），稱為無傳感器控制。無傳感器由于成本較低而成為常見的，但兩者都需要電機(jī)轉(zhuǎn)動才能感應(yīng)真實位置。在這種情況下，電機(jī)啟動可能會非常棘手，因為它需要以開環(huán)模式啟動，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。如果它們設(shè)置得太低，電機(jī)響應(yīng)會滯后。如果它們設(shè)置得太高，控制器可能會振蕩并變得不穩(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)雜性使得計算平臺需要增強(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)換功能來測量電機(jī)電流，以及專門的定時器）模塊，以產(chǎn)生對準(zhǔn)的PWM信號。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)。

幸運的是，目前市場上出現(xiàn)了專門針對FOC電機(jī)控制的低成本MCU。例如，恩智浦提供一系列基于ARM）Corte）x-M的電機(jī)控制設(shè)備，稱為KinetisV系列（圖2）。

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

KinetisV系列可擴(kuò)展功能，存儲器大小，定時器和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)化實現(xiàn)簡單的BLDC速度控制，一直到高端設(shè)備的多個PMSM。KV1xMCU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KinetisKV1x器件適用于負(fù)載相對恒定且控制環(huán)路頻率低于12KHz的BLDC和PMSM電機(jī)。

KinetisKV3x和KV4xMCU系列使用支持DSP的Cortex-M4內(nèi)核函數(shù)和浮點數(shù)學(xué)。這些器件可支持更高動態(tài)負(fù)載應(yīng)用，控制環(huán)路高達(dá)20KHz，并提供極高性能的解決方案。KinetisKV5xMCU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定時器支持死區(qū)時間插入，以消除當(dāng)相位關(guān)閉時的電流射擊，以及其他電機(jī)專用功能。FlexTimer每個定時器模塊具有單個時基，而eFlexPWM每個PWM模塊多可支持四個時基，為電機(jī)控制算法的PWM生成和同步提供了極大的靈活性。

A/D模塊可同時捕獲和處理兩個信號，這對于無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或多個12位D/A和相應(yīng)數(shù)量的比較器，相對于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軟件過去需要在電機(jī)管理和控制理論方面具有深厚的知識。然而，由于恩智浦提供了一種新的工具--KinetisMotorSuite（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KinetisV系列MCU上的受保護(hù)閃存和一個簡單易用的GUI，用于設(shè)置和調(diào)整電機(jī)系統(tǒng)。KMS消除了對電機(jī)控制的深入了解的需要，允許那些知識有限的人開發(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。簡單的方法是購買FRDM-V31FFreedom開發(fā)平臺和相應(yīng)的高壓或低壓平臺驅(qū)動板。在這種情況下，我們將使用FRDM-MC-LVPMSMFreedom評估板。如果您是塔式系統(tǒng)開發(fā)板用戶，則該平臺還有適用的處理器和驅(qū)動板。

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)，一個很好的選擇是FRDM-MC-LVMTR-ND，這是恩智浦用于FreedomDevelopmentKit的24V，3相BLDC電機(jī)。

FRDM-V31F板上有MKV31F128VLH10P微控制器。這包含嵌入式KMSIP。請注意，只有帶有“P”后綴的Kinetis微控制器包含KMSIP。

獲得主板后，就可以從KinetisMotorSuite入門頁面獲取軟件工具，其中有鏈接可您需要的三種工具，包括：

Kinetis軟件開發(fā)套件（KSDK）

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

Kinetis電機(jī)套件。

現(xiàn)在是時候組裝硬件了。通過將三相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，并通過電源輸入插孔連接電機(jī)電壓。在計算機(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RGBLED應(yīng)閃爍。您現(xiàn)在可以進(jìn)行電機(jī)測量并旋轉(zhuǎn)電機(jī)。

啟動KinetisMotorSuite并選擇一個新項目。它將要求您識別您的硬件平臺（Freedom，HighVoltage或Tower系統(tǒng)），控制類型（SensoredPosition，無傳感器速度或感應(yīng)速度）和開發(fā)環(huán)境（IAR或KinetisDesignStudioIDE。）

在為項目命名并選擇COM端口后，系統(tǒng)會要求您輸入電機(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，用于測量電機(jī)電氣特性。KMS在測量和旋轉(zhuǎn)電機(jī)時更新這些值。（圖片：恩智浦）

接下來，KMS將通過快速旋轉(zhuǎn)電機(jī)來測量系統(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，而不是動態(tài)負(fù)載。

KMS現(xiàn)在擁有以額定速度運行電機(jī)所需的所有信息。只需單擊鼠標(biāo)即可開始測試，KMS將打開一個軟件示波器），向您顯示電機(jī)啟動，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啟動電機(jī)并斜坡上升到額定速度，同時在速度/時間圖表上顯示RPM。（圖像：NXP）

通過執(zhí)行這四個步驟，KMS確定了必要的參數(shù)并編程了控制回路以使電機(jī)運行，而無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還通過使用自抗擾控制（ADRC）來幫助完成這項經(jīng)常困難的任務(wù)。這是LinestreamTechnologies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)慣量來調(diào)節(jié)控制器。用戶只需要設(shè)置一個參數(shù)：帶寬。這需要兩個步驟來調(diào)整電機(jī)。

步是以速度運行電機(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）

然后以速度運行電機(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。這樣做是因為它主動估計這些干擾并實時補(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間。

這些數(shù)據(jù)顯示PI和SpinTAC控制器對額定速度為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誤更好或相同，并且建立時間比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，無需進(jìn)一步調(diào)整或運行時調(diào)整。

后續(xù)步驟

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