无刷直流电动机 - 第二部分：控制原理

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在了解了本文第一部分中BLDC电机的结构和基本工作原理后，了解可用于电机可靠运行和保护的电机控制选项变得非常重要。根据所服务的功能，电机控制可分为以下几类：

速度控制
扭矩控制
电机保护

这些控制功能的实现需要监视一个或多个电动机参数，然后采取相应的动作来实现所需的功能。在深入了解这些控制功能实现的细节之前，了解构建电机旋转或建立换向所需的逻辑和硬件的实现非常重要。

换位实施

如本文前面部分所述，基于电机的位置（使用反馈传感器识别），三个电气绕组中的两个一次通电。为了能够激励绕组，外部电路需要能够满足电动机的电流要求。具有三相绕组连接的典型控制电路如图1所示.V1，V3，V5和V2，V4，V6使三相电压源逆变器连接在电源两端。V1和V4形成一个桥。V1为高压侧，与高压直流电源相连，而V4为低压侧，与地相连。

通过调节功率器件的高侧和低侧（通过信号V1H，V3H，V5H和V2L，V4L，V6L），可以控制流过定子绕组的电流。例如，如果电流必须流入RED绕组并从蓝色绕组流出，则在保持其他信号的同时接通V1和V6将使电流沿所需方向流动，如图2（A）所示。接下来，通过接通V5和V6并关闭所有其他信号，可以切换电流从绿色绕组流出并从蓝色绕组流出，如图2（B）所示。

按照相同的步骤，可以生成BLDC电机的6步驱动顺序。表1提供了基于霍尔传感器输出的电源电路的切换顺序。

但是，如果必须反转旋转，则序列也需要反转。图3显示了激励波形，包括相电流，相电压，霍尔传感器和扇区值。图的上半部分显示了三相绕组激励电流和电压，其中黑线是相电流，而绿线，红线和蓝线是相电压。由于相电流是梯形的，我们称之为6步BLDC控制梯形控制。

霍尔传感器和激励具有固定的关系。通常，有两种类型的霍尔传感器。对于第一种类型，对于每个HALL阶段，它们的波形具有60度的时间推移。对于第二种类型，波形延时为120度。

通过对换向的基本了解，现在让我们切换到控制功能的实现，这对任何电机设计都至关重要。

速度控制

遵循给定顺序的换向序列有助于确保电动机的正确旋转。那么，电动机速度取决于所施加电压的幅度。通过使用脉冲宽度调制（PWM）来调整所施加信号的幅度。图4显示了各种功率器件的开关信号。

从上图可以注意到，使用PWM驱动较高侧晶体管。通过控制PWM信号的占空比，可以控制施加电压的幅度，这反过来将控制电动机的速度。为了能够平稳地达到所需的速度，PI控制回路的实现如图5所示。

将所需速度和实际速度之间的差值输入PI控制器，PI控制器然后根据由实际速度和所需速度之间的差值获得的误差信号调制PWM的占空比。

扭矩控制
在各种应用中，扭矩控制很重要，在给定的时间点，电机需要提供特定的扭矩，而不管电机运行的负载和速度如何变化。可以通过调节磁通量来控制扭矩，但是磁通计算需要复杂的逻辑。然而，磁通量取决于流过绕组的电流。因此，通过控制电流，可以控制电动机的转矩。

图6显示了扭矩控制实现逻辑。通过保持流过绕组的电流，可以控制扭矩。可以实现类似于用于控制速度的PI回路，以随着负载的变化平滑扭矩响应曲线。

电机保护

在电机控制设计中，必须具有保护逻辑以确保系统的安全运行。例如，当电动机卡住时，通过绕组的电流可以累积到非常高的水平，这可以燃烧驱动电动机的动力装置。

峰值电流 -这是允许流过绕组以确保安全运行的最大瞬时电流。这种情况发生在短路的情况下。只要电流超过峰值电流限制，就会应用硬件保护来消除PWM输出。

最大工作电流 -这是电机停转或过载时的最大输出电流。该电流可由应用固件控制。该逻辑的实现类似于转矩控制。

欠压 - 当系统使用电池运行时，如果电池电压低于特定限制，则切断电源变得非常重要。由于电压降是一个缓慢的过程，因此可以通过固件进行控制。

霍尔传感器故障 - 在基于传感器的BLDC电机中，电机的旋转完全基于从霍尔传感器获得的反馈。因此，在霍尔传感器发生故障的情况下，换向序列将断开，这可能导致BLDC电动机卡住并且电流升高到特定极限以上。通过检查霍尔传感器信号是否改变其逻辑电平，可以在固件中检测霍尔传感器故障。如果它卡在特定的水平上，则可以将其检测为故障，并且可以断开电动机驱动器，使其在惯性下运行或通过施加制动器来停止。要采取的行动取决于设计的要求。

市场上有控制器可以进行BLDC电机控制。随着片上系统（SOC）控制器的出现，用于实现BLDC电机控制的完整控制逻辑可以在单个器件中实现。这不仅有助于降低成本，而且这种集成提供了灵活性，使设计人员能够根据特定应用的要求管理系统的控制。

图7显示了使用赛普拉斯旗舰控制器可编程片上系统（PSoC） - CY8C24533的电机控制系统的设计。在这种使用霍尔传感器输入的设计中，通过产生PWM信号来控制换向序列。该器件具有内置ADC，放大器（PGA）和比较器（CMP），用于测量电压和电流，以实现速度和转矩控制。PI控制环路在固件中实现，以在CPU上执行。对于过电流保护，比较器（CMP）用于在过电流情况下消除PWM输出。器件内部可用的CMP模块提供内部可编程阈值电压，用于适应各种电流范围内的电机。 CY8C24533
。在这种使用霍尔传感器输入的设计中，通过产生PWM信号来控制换向序列。该器件具有内置ADC，放大器（PGA）和比较器（CMP），用于测量电压和电流，以实现速度和转矩控制。PI控制环路在固件中实现，以在CPU上执行。对于过电流保护，比较器（CMP）用于在过电流情况下消除PWM输出。器件内部可用的CMP模块提供内部可编程阈值电压，用于适应各种电流范围内的电机。该器件还提供对通信模块的访问，通信模块可用于实现UART，SPI和I2C等通信协议，以将调试/控制数据传输到主机控制器。

本文提供了用于速度和转矩控制的BLDC电机控制系统的基本实现。它还讨论了保护逻辑的重要性以及如何在给定系统中实现保护逻辑。

汪俊峰 · 2018-9-12 08:40:27

谢谢分享，，写的确实不错

narushin · 2019-7-17 14:27:05

先码，这就学，要恶补啊

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