无刷电机属于自换流型(自我方向转换),因此控制起来更加复杂。 空载时间的插入和补充: 大多数BLDC电机不需要互补的PWM、空载时间插入或空载时间补偿。可能会要求这些特性的BLDC应用仅为高性能BLDC伺服电动机、正弦波激励式BLDC电机、无刷AC、或PC同步电机。 控制算法必须提供下列三项功能: ▪ 用于控制电机速度的 PWM 电压; 脉冲宽度调制仅用于将可变电压应用到电机绕组。有效电压与PWM占空比成正比。当得到适当的整流换向时,BLDC的扭矩速度特性与以下直流电机相同。可以用可变电压来控制电机的速度和可变转矩。 图1 功率晶体管的换向实现了定子中的适当绕组可根据转子位置生成最佳的转矩。在一个BLDC电机中,MCU必须知道转子的位置并能够在恰当的时间进行整流换向。 图2:用于BLDC电机的梯形控制器的简化框图 在图 2 中,每一次要通过一对电机终端来控制电流,而第三个电机终端总是与电源电学上断开。 嵌入大电机中的三种霍尔器件用于提供数字信号,它们在60度的扇形区内测量转子位置,并在电机控制器上提供这些信息。由于每次两个绕组上的电流量相等,而第三个绕组上的电流为零,这种方法仅能产生具有六个方向其中之一的电流空间矢量。随着电机的转动,电机终端的电流在每转 60 度时,实现一次电开关(整流换向),因此电流空间矢量总是在 90 度相移的最接近 30 度的位置。 图3:梯形控制:驱动波形和整流处的转矩 因此每个绕组的电流波型为梯形,从零开始到正电流再到零然后再到负电流。 BLDC电机的正弦整流换向梯形整流换向还不足以为提供平衡、精准的无刷直流电机控制。这主要是因为在一个三相无刷电机(带有一个正统波反电动势)中所产生的转矩由下列等式来定义: 将得到:转轴转矩=1.5I0*Kt(一个独立于转轴角度的常数) 图4:BLDC 电机正弦波控制器的简化框图 由于绕组电流必须结合产生一个平稳的常量转子电流空间矢量,而且定子绕组的每个定位相距 120 度角,因此每个线组的电流必须是正弦的而且相移为 120 度。采用编码器中的位置信息来对两个正弦波进行合成,两个间的相移为 120 度。然后,将这些信号乘以转矩值,因此正弦波的振幅与所需要的转矩成正比。结果,两个正弦波电流命令得到恰当的定相,从而在正交方向产生转动定子电流空间矢量。 由于P-I控制器具有有限增益和频率响应,对于电流控制回路的时间变量干扰将引起相位滞后和电机电流中的增益误差,速度越高,误差越大。这将干扰电流空间矢量相对于转子的方向,从而引起与正交方向产生位移。 1、标量控制 标量控制(或 V/Hz 控制)是一个控制指令电机速度的简单方法。指令电机的稳态模型主要用于获得技术,因此瞬态性能是不可能实现的。系统不具有电流回路。为了控制电机,三相电源只有在振幅和频率上变化。 2、矢量控制或磁场定向控制 在电动机中的转矩随着定子和转子磁场的功能而变化,并且当两个磁场互相正交时达到峰值。在基于标量的控制中,两个磁场间的角度显著变化。 磁场定向控制(FOC)有两种方法: 直接 FOC:转子磁场的方向(Rotor flux angle)是通过磁通观测器直接计算得到的。 可以采用不同的方式来实现矢量控制算法。前馈技术、模型估算和自适应控制技术都可用于增强响应和稳定性。 3、AC电机的矢量控制:深入了解 矢量控制算法的核心是两个重要的转换:Clark变换,Park变换和它们的逆运算。采用 Clark 和 Park 变换,带来可以控制到转子区域的转子电流。这样做充许一个转子控制系统决定应供应到转子的电压,以使动态变化负载下的转矩最大化。 其中 Ia 和 Ib 是正交基准面的组成部分,Io 是不重要的 homoplanar 部分。 图5:三相转子电流与转动参考系的关系 4、Park转换:Park 数学转换将双向静态系统转换成转动系统矢量 两相α,β帧表示通过 Clarke 转换进行计算,然后输入到矢量转动模块,它在这里转动角θ,以符合附着于转子能量的 d,q 帧。根据上述公式,实现了角度θ的转换。 图6:矢量控制交流电机的基本原理 这些导出值与参考值相互比较,并由PI控制器更新。 表1:电动机标量控制和矢量控制的比较 基于矢量的电机控制的一个固有优势是,可以采用同一原理,选择适合的数学模型去分别控制各种类型的 AC、PM-AC 或者 BLDC 电机。 1、步进电机控制 图7
在这种模式中,其绕组按如下顺序加电,AB/CD/BA/DC(BA 表示绕组 AB 的加电是反方向进行的)。这一顺序被称为单相全步进模式,或者波驱动模式。在任何一个时间,只有一相加电。 在这种模式中,双相一起加电,因此,转子总是在两个极之间。此模式被称为双相全步进,这一模式是两极电机的常态驱动顺序,可输出的扭矩最大。 这种模式将单相步进和双相步进结合在一起加电:单相加电,然后双相加电,然后单相加电…,因此,电机以半步进增量运转。这一模式被称为半步进模式,其电机每个励磁的有效步距角减少了一半,其输出的扭矩也较低。 以上3种模式均可用于反方向转动(逆时针方向),如果顺序相反则不行。 2、通用 DC 电机控制算法 通用电机的速度控制,特别是采用 2 种电路的电机: 相角控制是通用电机速度控制的最简单的方法。通过 TRIAC 的点弧角的变动来控制速度。相角控制是非常经济的解决方案,但是,效率不太高,易于电磁干扰(EMI)。 图8:通用电机的相角控制 图8表明了相角控制的机理,是TRIAC速度控制的典型应用。TRIAC门脉冲的周相移动产生了有效率的电压,从而产生了不同的电机速度,并且采用了过零交叉检测电路,建立了时序参考,以延迟门脉冲。 PWM 控制是通用电机速度控制的,更先进的解决方案。在这一解决方案中,功率 MOSFET,或者 IGBT 接通高频整流 AC 线电压,进而为电机产生随时间变化的电压。 图9:通用电机的 PWM 斩波控制 其开关频率范围一般为10-20KHz,以消除噪声。这一通用电机的控制方法可以获得更佳的电流控制和更佳的EMI性能,因此效率更高。 |
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