Управление скоростью двигателя BLDC: объяснение разомкнутого, закрытого и ПИД-регулятора

Почему двигателям BLDC необходим активный контроль скорости

Коллекторный двигатель постоянного тока замедляется или ускоряется довольно прямым образом — измените напряжение на щетках, и двигатель отреагирует. Бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC) не имеет такой роскоши. Без щеток и механического коммутатора что-то другое должно решать, на какую обмотку в какой момент подается напряжение, и та же самая система в конечном итоге отвечает и за скорость.

Это «что-то еще» — контроллер двигателя. Он переключает ток через три фазные обмотки в правильной последовательности, чтобы двигатель продолжал вращаться, а регулируя процесс этого переключения, он также определяет скорость вращения ротора. При неправильной стратегии управления двигатель либо не сможет достичь требуемой скорости, либо будет колебаться и колебаться вместо того, чтобы оставаться устойчивым — проблема, которая постоянно проявляется в ступичные двигатели, обычно работающие в паре с приводами BLDC с регулируемой скоростью. на электронных велосипедах и легких электромобилях, где водители ожидают, что реакция дроссельной заслонки будет мгновенной и линейной.

Управление скоростью с разомкнутым контуром: рабочий цикл ШИМ

Самый простой способ управления скоростью двигателя BLDC — это разомкнутый контур: контроллер регулирует рабочий цикл широтно-импульсной модуляции (ШИМ), питающий силовые транзисторы, что изменяет среднее напряжение, подаваемое на обмотки, что приводит к изменению скорости. Более высокий рабочий цикл, большее среднее напряжение, более быстрое вращение. Никакой контур обратной связи не проверяет, действительно ли двигатель достиг требуемой скорости — контроллер просто задает рабочий цикл и доверяет двигателю следовать за ним.

Этот подход распространен, поскольку он дешев и прост в реализации, а также Руководство по применению Texas Instruments по сенсорному управлению BLDC отмечает, что он хорошо работает особенно в системах, где взаимосвязь между входной и результирующей скоростью предсказуема и жесткое отслеживание не имеет решающего значения. Компромисс проявляется при переменной нагрузке: без обратной связи внезапное увеличение нагрузки приводит к снижению скорости, и контроллер не имеет возможности узнать, что ему необходимо компенсировать это.

Регулирование скорости с обратной связью: датчики Холла и обратная связь

Управление с обратной связью решает эту «слепую зону», добавляя сигнал обратной связи — обычно от датчиков Холла, уже присутствующих для коммутации, иногда от специального энкодера. Контроллер постоянно сравнивает фактическую скорость с целевой, вычисляет ошибку и корректирует рабочий цикл ШИМ в реальном времени, чтобы сократить разрыв.

Поскольку датчики Холла уже сообщают о положении ротора для целей коммутации, определение скорости на основе времени между переходами состояний Холла не требует дополнительных затрат на оборудование. Это делает управление с обратной связью на основе Холла выбором по умолчанию для большинства коммерческих приложений BLDC — оно поддерживает постоянную скорость при изменении нагрузки без необходимости использования отдельного датчика скорости.

ПИ- и ПИД-регулирование: алгоритмы обеспечения точности с обратной связью

Математические расчеты внутри управления с обратной связью обычно сводятся к тому, что ПИ- или ПИД-регулятор воздействует на ошибку между целевой и фактической скоростью.

ПИ-регулятор (пропорционально-интегральный) сочетает в себе пропорциональный член, который реагирует на текущую ошибку, с интегральным членом, который накапливает прошлую ошибку с течением времени, что устраняет небольшое установившееся смещение, которое может оставить только пропорциональный член. Добавление производного члена превращает его в полноценный ПИД-регулятор, который также реагирует на скорость изменения ошибки, что полезно для гашения перерегулирования в системах, которым необходимо быстро установить целевую скорость, не превышая ее.

ПИ-регулирование, как правило, является практическим стандартом для регулирования скорости общего назначения, поскольку его проще настраивать и он менее чувствителен к шуму датчика, чем полный ПИД-контур. ПИД-регулирование приобретает дополнительную сложность в таких приложениях, как робототехника или дроны, где быстрая и точная установка новой скорости имеет большее значение, чем простота настройки.

Как выбор контроллера влияет на качество управления скоростью в реальном мире

Алгоритм управления работает ровно настолько, насколько хорошо его выполняет аппаратное обеспечение. Контроллер с медленным контуром управления или плохим измерением тока по-прежнему будет колебаться и отставать даже при хорошо настроенном коэффициенте усиления ПИД-регулятора, поэтому скорость отклика имеет значение как аппаратная характеристика, а не только программная. Контроллер с быстрым откликом, настроенный на быструю коррекцию скорости. сокращает задержку между изменением нагрузки и компенсирующей реакцией контроллера, что фактически определяет, насколько устойчиво двигатель себя чувствует при реальных колебаниях нагрузки, а не при тестировании на чистом стенде.

Частота переключения ШИМ и ее взаимодействие с обмотками двигателя также влияют на звуковую и механическую сторону управления скоростью — плохо настроенная схема переключения может вызывать свист или вибрацию, которые усиливаются при изменении рабочего цикла. Сверхтихий контроллер, который обеспечивает низкий уровень шума переключения ШИМ на скорости. Это напрямую решает эту проблему, что имеет значение в потребительских приложениях, где слышимый шум двигателя является таким же поводом для жалоб, как и чистая производительность.

Согласование контроллера с двигателем для надежного управления скоростью

Даже хорошо спроектированный контроллер с обратной связью не может компенсировать несоответствие между его номинальным током, конфигурацией датчика Холла и двигателем, которым он управляет. Количество полюсов, фазовое сопротивление и синхронизация датчика — все это влияет на то, насколько четко контроллер может считывать обратную связь и реагировать, а несовпадение пар проявляется в грубой работе на низкой скорости, перегреве или регулировании скорости, которое никогда не стабилизируется. Наше руководство по сопряжению контроллера и двигателя рассказывает о том, как проверить, что характеристики контроллера действительно соответствуют двигателю, для которого он предназначен, прежде чем эти проблемы проявятся в полевых условиях.

Для читателей, желающих углубиться в то, как сам алгоритм управления реализуется в прошивке, наш более глубокий взгляд на уровень программного обеспечения современных контроллеров двигателей рассказывает о том, как эти контуры управления структурированы и настроены на уровне встроенного ПО.