Controlul vitezei motorului BLDC: buclă deschisă, buclă închisă și PID explicat

De ce motoarele BLDC au nevoie de control activ al vitezei

Un motor de curent continuu cu perii încetinește sau accelerează într-un mod destul de direct - schimbați tensiunea pe perii, iar motorul răspunde. Un motor de curent continuu fără perii (BLDC) nu are acest lux. Fără perii și un comutator mecanic, altceva trebuie să decidă care înfășurare este alimentată în ce moment și același sistem ajunge să fie responsabil și de viteză.

Acel „altceva” este controlerul motorului. Comută curentul prin înfășurările trifazate în secvența corectă pentru a menține motorul în rotație și, ajustând modul în care se întâmplă această comutare, stabilește, de asemenea, cât de repede se rotește rotorul. Înțelegeți greșit strategia de control și motorul fie nu poate atinge viteza cerută, fie vânează și oscilează în loc să rămână constant - o problemă care apare constant în motoarele butuc asociate în mod obișnuit cu unități BLDC cu viteză controlată pe bicicletele electrice și vehiculele electrice ușoare, unde cicliștii se așteaptă ca răspunsul la accelerație să fie imediat și liniar.

Controlul vitezei în buclă deschisă: ciclu de lucru PWM

Cea mai simplă modalitate de a controla viteza unui motor BLDC este în buclă deschisă: controlerul ajustează ciclul de funcționare al modulării lățimii impulsului (PWM) care alimentează tranzistoarele de putere, ceea ce modifică tensiunea medie aplicată înfășurărilor, ceea ce modifică viteza. Ciclu de lucru mai mare, mai multă tensiune medie, centrifugare mai rapidă. Nicio buclă de feedback nu verifică dacă motorul a atins într-adevăr viteza cerută - controlerul doar comandă un ciclu de lucru și are încredere că motorul va urma.

Această abordare este comună deoarece este ieftină și simplu de implementat și Ghidul de aplicare al Texas Instruments pentru controlul BLDC cu senzori observă că funcționează bine în special în sistemele în care relația dintre viteza de intrare și viteza rezultată este previzibilă și urmărirea strictă nu este critică. Compartimentul apare sub sarcină variabilă: fără feedback, o creștere bruscă a sarcinii trage viteza în jos și controlerul nu are de unde să știe că trebuie să compenseze.

Controlul vitezei în buclă închisă: senzori Hall și feedback

Controlul în buclă închisă rezolvă acel punct mort prin adăugarea unui semnal de feedback - de obicei de la senzorii cu efect Hall deja prezenți pentru comutare, uneori de la un encoder dedicat. Controlerul compară continuu viteza reală cu ținta, calculează eroarea și ajustează ciclul de lucru PWM în timp real pentru a reduce decalajul.

Deoarece senzorii Hall raportează deja poziția rotorului în scopuri de comutare, viteza de derive din timpul dintre tranzițiile de stare Hall adaugă puțin cost suplimentar hardware. Acest lucru face ca controlul în buclă închisă bazat pe Hall să fie alegerea implicită pentru majoritatea aplicațiilor comerciale BLDC - menține viteza constantă pe măsură ce sarcina se schimbă, fără a avea nevoie de un senzor de viteză separat.

Controlul PI și PID: algoritmii din spatele preciziei în buclă închisă

Matematica din interiorul controlului în buclă închisă se reduce de obicei la un controler PI sau PID care acționează asupra erorii dintre viteza țintă și cea reală.

Un controler PI (Proporțional-Integral) combină un termen proporțional care reacționează la eroarea curentă cu un termen integral care acumulează eroarea trecută în timp, ceea ce elimină decalajul mic de stare staționară pe care un termen proporțional ar lăsa în urmă. Adăugarea unui termen derivat îl transformă într-un controler PID complet, care reacționează și la rata de modificare a erorii - util pentru atenuarea depășirii în sistemele care trebuie să se stabilească rapid la o viteză țintă, fără a oscila peste aceasta.

Controlul PI tinde să fie implicit practic pentru reglarea vitezei de uz general, deoarece este mai simplu de reglat și mai puțin sensibil la zgomotul senzorului decât o buclă PID completă. PID își câștigă un plus de complexitate în aplicații precum robotica sau dronele, unde stabilirea rapidă și precisă la o nouă viteză contează mai mult decât simplitatea reglajului.

Cum afectează alegerea controlerului calitatea controlului vitezei din lumea reală

Algoritmul de control funcționează la fel de bine ca și hardware-ul care îl execută. Un controler cu o buclă de control lentă sau o detectare slabă a curentului va urmări și rămâne în întârziere chiar și cu câștiguri PID bine reglate, motiv pentru care viteza de răspuns contează ca specificație hardware, nu doar una software. Un controler cu răspuns rapid reglat pentru corectarea rapidă a vitezei scurtează întârzierea dintre o schimbare a sarcinii și răspunsul de compensare al controlerului, ceea ce determină de fapt cât de stabil se simte motorul în cazul variațiilor de sarcină din lumea reală, mai degrabă decât într-un test curat pe banc.

Frecvența de comutare PWM și interacțiunea acesteia cu înfășurările motorului afectează, de asemenea, partea sonoră și mecanică a controlului vitezei - o schemă de comutare prost reglată poate produce scânteie sau vibrații care se agravează pe măsură ce ciclul de lucru se modifică. Un controler ultra-silențios care menține zgomotul de comutare PWM scăzut la viteză abordează acest lucru în mod direct, ceea ce contează în aplicațiile consumatorilor în care zgomotul audibil al motorului este la fel de mult un factor de plângere ca și performanța brută.

Potrivirea controlerului cu motorul pentru un control fiabil al vitezei

Chiar și un controler în buclă închisă bine proiectat nu poate compensa o nepotrivire între valoarea nominală a curentului, configurația senzorului Hall și motorul pe care îl conduce. Numărul de poli, rezistența de fază și sincronizarea senzorului, toate influențează cât de curat un controler poate citi feedback-ul și răspunde, iar o împerechere nepotrivită se manifestă ca o funcționare brută la viteză mică, exces de căldură sau control al vitezei care nu se stabilește niciodată. Ghidul nostru de asociere pentru controler și motor acoperă modul de a verifica dacă specificațiile unui controler se potrivesc de fapt cu motorul pe care trebuie să îl conducă înainte ca aceste probleme să apară pe teren.

Pentru cititorii care doresc să aprofundeze modul în care algoritmul de control în sine este implementat în firmware, privirea noastră mai profundă asupra stratului software din spatele controlerelor moderne de motoare acoperă modul în care aceste bucle de control sunt structurate și reglate la nivel de firmware.