在了解了本文第一部分中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)變得非常重要。 根據(jù)所服務(wù)的功能，電機(jī)控制可分為以下幾類：
這些控制功能的實(shí)現(xiàn)需要監(jiān)視一個(gè)或多個(gè)電動機(jī)參數(shù)，然后采取相應(yīng)的動作來實(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，了解構(gòu)建電機(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。 換位實(shí)施 如本文前面部分所述，基于電機(jī)的位置（使用反饋傳感器識別），三個(gè)電氣繞組中的兩個(gè)一次通電。為了能夠激勵(lì)繞組，外部電路需要能夠滿足電動機(jī)的電流要求。具有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使三相電壓源逆變器連接在電源兩端。V1和V4形成一個(gè)橋。V1為高壓側(cè)，與高壓直流電源相連，而V4為低壓側(cè)，與地相連。 通過調(diào)節(jié)功率器件的高側(cè)和低側(cè)（通過信號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繞組并從藍(lán)色繞組流出，則在保持其他信號的同時(shí)接通V1和V6將使電流沿所需方向流動，如圖2（A）所示。接下來，通過接通V5和V6并關(guān)閉所有其他信號，可以切換電流從綠色繞組流出并從藍(lán)色繞組流出，如圖2（B）所示。   但是，如果必須反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)，則序列也需要反轉(zhuǎn)。 圖3顯示了激勵(lì)波形，包括相電流，相電壓，霍爾傳感器和扇區(qū)值。圖的上半部分顯示了三相繞組激勵(lì)電流和電壓，其中黑線是相電流，而綠線，紅線和藍(lán)線是相電壓。由于相電流是梯形的，我們稱之為6步BLDC控制梯形控制。  通過對換向的基本了解，現(xiàn)在讓我們切換到控制功能的實(shí)現(xiàn)，這對任何電機(jī)設(shè)計(jì)都至關(guān)重要。 速度控制 遵循給定順序的換向序列有助于確保電動機(jī)的正確旋轉(zhuǎn)。那么，電動機(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)整所施加信號的幅度。圖4顯示了各種功率器件的開關(guān)信號。  將所需速度和實(shí)際速度之間的差值輸入PI控制器，PI控制器然后根據(jù)由實(shí)際速度和所需速度之間的差值獲得的誤差信號調(diào)制PWM的占空比。 在各種應(yīng)用中，扭矩控制很重要，在給定的時(shí)間點(diǎn)，電機(jī)需要提供特定的扭矩，而不管電機(jī)運(yùn)行的負(fù)載和速度如何變化?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)磁通量來控制扭矩，但是磁通計(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，可以控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩。  圖6顯示了扭矩控制實(shí)現(xiàn)邏輯。通過保持流過繞組的電流，可以控制扭矩?？梢詫?shí)現(xiàn)類似于用于控制速度的PI回路，以隨著負(fù)載的變化平滑扭矩響應(yīng)曲線。 電機(jī)保護(hù) 在電機(jī)控制設(shè)計(jì)中，必須具有保護(hù)邏輯以確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行。例如，當(dāng)電動機(jī)卡住時(shí)，通過繞組的電流可以累積到非常高的水平，這可以燃燒驅(qū)動電動機(jī)的動力裝置。 峰值電流 -這是允許流過繞組以確保安全運(yùn)行的最大瞬時(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，就會應(yīng)用硬件保護(hù)來消除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，則切斷電源變得非常重要。由于電壓降是一個(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，換向序列將斷開，這可能導(dǎo)致BLDC電動機(jī)卡住并且電流升高到特定極限以上。通過檢查霍爾傳感器信號是否改變其邏輯電平，可以在固件中檢測霍爾傳感器故障。如果它卡在特定的水平上，則可以將其檢測為故障，并且可以斷開電動機(jī)驅(qū)動器，使其在慣性下運(yùn)行或通過施加制動器來停止。要采取的行動取決于設(shè)計(jì)的要求。 市場上有控制器可以進(jìn)行BLDC電機(jī)控制。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)的控制。  圖7顯示了使用賽普拉斯旗艦控制器可編程片上系統(tǒng)（PSoC） - CY8C24533的電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在這種使用霍爾傳感器輸入的設(shè)計(jì)中，通過產(chǎn)生PWM信號來控制換向序列。該器件具有內(nèi)置ADC，放大器（PGA）和比較器（CMP），用于測量電壓和電流，以實(shí)現(xiàn)速度和轉(zhuǎn)矩控制。PI控制環(huán)路在固件中實(shí)現(xiàn)，以在CPU上執(zhí)行。對于過電流保護(hù)，比較器（CMP）用于在過電流情況下消除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)各種電流范圍內(nèi)的電機(jī)。 CY8C24533 。在這種使用霍爾傳感器輸入的設(shè)計(jì)中，通過產(chǎn)生PWM信號來控制換向序列。該器件具有內(nèi)置ADC，放大器（PGA）和比較器（CMP），用于測量電壓和電流，以實(shí)現(xiàn)速度和轉(zhuǎn)矩控制。PI控制環(huán)路在固件中實(shí)現(xiàn)，以在CPU上執(zhí)行。對于過電流保護(hù)，比較器（CMP）用于在過電流情況下消除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)各種電流范圍內(nèi)的電機(jī)。該器件還提供對通信模塊的訪問，通信模塊可用于實(shí)現(xiàn)UART，SPI和I2C等通信協(xié)議，以將調(diào)試/控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)控制器。 本文提供了用于速度和轉(zhuǎn)矩控制的BLDC電機(jī)控制系統(tǒng)的基本實(shí)現(xiàn)。它還討論了保護(hù)邏輯的重要性以及如何在給定系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)保護(hù)邏輯。 |
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