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無刷控制器出現(xiàn)故障分析原因及解決方案-KIA 元器件廠家

信息來源:本站 日期:2017-12-21 

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直流電機(jī)具有良好的調(diào)速性能,如無級調(diào)速、調(diào)速范圍寬、低速性能好、高起動轉(zhuǎn)矩、高效率等。無刷直流電機(jī)由于采用電子換向,PWM調(diào)速,在進(jìn)一步提高直流電機(jī)性能的同時又克服了直流電機(jī)機(jī)械換向帶來的一系列問題,從而大大延長了電機(jī)的使用壽命,近年來已廣泛應(yīng)用于家電、汽車、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等領(lǐng)域。

1、無刷機(jī)優(yōu)勢特點

無刷直流(BLDC)電機(jī)具有多種優(yōu)點:效率更高、壽命更長、不產(chǎn)生火花、可靠性高,可以選擇多檔速度,并有大扭矩。因此,越來越多的應(yīng)用依賴于無刷直流(BLDC)電機(jī),包括醫(yī)療設(shè)備、家用電器、樓宇控制和工業(yè)自動化等等。

2、無刷直流電機(jī)的速度控制方案

對無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制即可采用開環(huán)控制,也可采用閉環(huán)控制。與開環(huán)控制相比,速度控制閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性有以下優(yōu)越性:閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性與開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性相比,其性能大大提高;理想空載轉(zhuǎn)速相同時,閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率(額定負(fù)載時電機(jī)轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速之比)要小得多;當(dāng)要求的靜差率相同時, 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍可以大大提高。無刷直流電機(jī)的速度控制方案如圖1所示。

無刷直流電機(jī)控制器可采用電機(jī)控制專用DSP,也可采用單片機(jī)+無刷直流電機(jī)控制專用集成電路的方案。前者集成度高,電路設(shè)計簡單,運算速度快,可實現(xiàn)復(fù)雜的速度控制算法,但由于DSP的價格高而不適合于小功率低成本的無刷直流電機(jī)控制器。后者雖然運算速度低,但只要采用適當(dāng)?shù)乃俣瓤刂扑惴?,依然可以達(dá)到較高的控制精度,適合于小功率低成本的無刷直流電機(jī)控制器。

第二代無刷直流電機(jī)控制專用集成電路,集成了轉(zhuǎn)子位置傳感器譯碼器電路、脈寬調(diào)制電路(PWM)、功率輸出驅(qū)動電路、限流電路,可以實現(xiàn)無刷直流電機(jī)速度開環(huán)系統(tǒng)的全部控制功能。以及由MOSFET型場效應(yīng)管組成的功率驅(qū)動電路,無刷電機(jī)控制邏輯和保護(hù)由對號完成,單片機(jī)用來完成轉(zhuǎn)速設(shè)定值的獲取、轉(zhuǎn)速反饋的實時采樣以及速度控制算法的實現(xiàn)。

閉環(huán)速度調(diào)節(jié)器采用比例積分微分控制(簡稱PID控制),其輸出是輸入的比例、積分和微分的函數(shù)。PID調(diào)節(jié)器控制結(jié)構(gòu)簡單,參數(shù)容易整定,不必求出被控對象的數(shù)學(xué)模型,因此PID調(diào)節(jié)器得到了廣泛的應(yīng)用。

PID調(diào)節(jié)器雖然易于使用,但在設(shè)計、調(diào)試無刷直流電機(jī)控制器的過程中應(yīng)注意:PID調(diào)節(jié)器易受干擾、采樣精度的影響,且受數(shù)字量上下限的影響易產(chǎn)生上下限積分飽和而失去調(diào)節(jié)作用。所以,在不影響控制精度的前提下對PID控制算法加以改進(jìn),關(guān)系到整個無刷直流電機(jī)控制器設(shè)計的成敗。

3、速度設(shè)定值和電機(jī)轉(zhuǎn)速的獲取

為在單片機(jī)中實現(xiàn)PID調(diào)節(jié),需要得到電機(jī)速度設(shè)定值(通過A/D變換器)和電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速,這需要通過精心的設(shè)計才能完成。

無刷直流電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速可通過測量轉(zhuǎn)子位置傳感器(通常是霍爾傳感器)信號得到,在電機(jī)轉(zhuǎn)動過程中,通過霍爾傳感器可以得到如圖2所示的周期信號。

圖2:霍爾傳感器信號

由圖2可知,電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈,每一相霍爾傳感器產(chǎn)生2個周期的方波,且其周期與電機(jī)轉(zhuǎn)速成反比,因此可以利用霍爾傳感器信號得到電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速。為盡可能縮短一次速度采樣的時間,可測得任意一相霍爾傳感器的一個正脈沖的寬度,則電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速為:

但由于利用霍爾傳感器信號測速,所以測量電機(jī)轉(zhuǎn)速時的采樣周期是變化的,低速時采樣周期要長些,這影響了PID調(diào)節(jié)器的輸出,導(dǎo)致電機(jī)低速時的動態(tài)特性變差。解決的辦法是將三相霍爾傳感器信號相“與”,產(chǎn)生3倍于一相霍爾傳感器信號頻率的倍頻信號,這樣可縮短一次速度采樣的時間,但得增加額外的硬件開銷。直接利用霍爾傳感器信號測速雖然方便易行,但這種測速方法對霍爾傳感器在電機(jī)定子圓周上的定位有較嚴(yán)格的要求,當(dāng)霍爾傳感器在電機(jī)定子圓周上定位有誤差時,相鄰2個正脈沖的寬度不一致,會導(dǎo)致較大的測速誤差,影響PID調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)性能。若對測速精度要求較高時,可采用增量式光電碼盤,但同樣會增加了電路的復(fù)雜性和硬件的開銷。

電機(jī)速度設(shè)定值可以通過一定范圍內(nèi)的電壓來表示。系統(tǒng)中采用了串行A/D來實現(xiàn)速度設(shè)定值的采樣。但在電機(jī)調(diào)速的過程中,電機(jī)控制器的功率輸出部分會對A/D模擬輸入電壓產(chǎn)生干擾,進(jìn)行抗干擾處理。


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