无刷直流电机第2部分：控制原理

在本文第一部分了解了 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很重要。根据所服务的功能，电机控制可分为以下类别：

· 速度控制

· 扭矩控制

· 电机保护

实现这些控制功能需要监控一个或多个电机参数，然后采取相应的措施来实现所需的功能。在深入了解这些控制功能实现的细节之前，了解建立电机旋转或建立换向所需的逻辑和硬件的实现非常重要。

换向实施

如本文前面部分所述，根据电机的位置(使用反馈传感器识别)，三个电气绕组中的两个一次通电。为了能够为绕组通电，需要外部电路能够满足电机的电流要求。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 构成一个跨接电源的三相电压源逆变器。V1 和 V4 形成一个桥。V1 为高压侧，连接到高压直流电源，而 V4 为低压侧，连接到地。

通过调节功率器件的高边和低边(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BLUE绕组流出，打开V1和V6同时保持其他信号将导致电流沿所需方向流动，如图2(A)所示. 接下来，通过打开 V5 和 V6 并关闭所有其他信号，电流可以切换为从绿色绕组流入和从蓝色绕组流出，如图 2 (B) 所示。

按照相同的程序，可以生成 BLDC 电机的 6 步驱动序列。表 1 提供了基于霍尔传感器输出的电源电路的开关顺序。

但是，如果必须颠倒旋转，则也需要颠倒顺序。图 3 显示了励磁波形，包括相电流、相电压、霍尔传感器和扇区值。上半部分为三相绕组励磁电流和电压，其中黑线为相电流，绿、红、蓝线为相电压。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，对于每个霍尔相位，它们的波形都有 60 度的延时。对于第二种类型，波形延时为 120 度。

对换向有了基本的了解，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顺序有助于确保电机的正确旋转。因此，电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。

从上图中可以看出，高端晶体管是使用 PWM 驱动的。通过控制 PWM 信号的占空比，可以控制施加电压的幅度，进而控制电机的速度。为了能够平稳地达到所需的速度，PI 控制回路的实施如图 5 所示。

所需速度与实际速度之间的差值输入 PI 控制器，然后根据实际速度与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

扭矩控制在各种应用中很重要，在这些应用中，在给定的时间点，无论电机运行的负载和速度如何变化，电机都需要提供特定的扭矩。扭矩可以通过调整磁通量来控制，但是磁通量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，可以控制电机的转矩。

图 6 显示了转矩控制实现逻辑。通过保持流过绕组的电流，可以控制转矩。可以实施类似于用于控制速度的 PI 环，以使转矩响应曲线随着负载的变化而变得平滑。

电机保护

在电机控制设计中，具有保护逻辑以确保系统安全运行非常重要。例如，当电机卡住时，通过绕组的电流会累积到非常高的水平，这会烧毁驱动电机的功率器件。

峰值电流 -这是为了安全运行而允许流过绕组的最大瞬时电流。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终止 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，则切断电源变得很重要。由于电压下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，换向顺序将中断，这可能导致 BLDC 电机卡住，并且电流上升到特定限制之上。霍尔传感器故障可以在固件中通过检查霍尔传感器信号是否改变其逻辑电平来检测。如果它卡在特定水平，则可以将其检测为故障，并且可以断开电机驱动器，使其惯性运行或通过应用制动器停止。要采取的行动取决于设计的要求。

市场上有可以进行 BLDC 电机控制的控制器。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控制。

图 7 显示了使用赛普拉斯的旗舰控制器可编程片上系统 (PSoC) – CY8C24533 的电机控制系统设计。在这个使用霍尔传感器输入的设计中，换向顺序是通过产生 PWM 信号来控制的。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 控制环在固件中实现以在 CPU 上执行。对于过流保护，比较器 (CMP) 用于在过流的情况下终止 PWM 输出。器件内部可用的 CMP 模块提供内部可编程阈值电压，用于适应宽电流范围内的电机。