無(wú)刷直流電機(jī)的超前角/導(dǎo)通角
發(fā)布時(shí)間:2019-08-08 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】在無(wú)刷直流電機(jī)BLDC控制里,無(wú)論對(duì)于帶傳感器還是無(wú)傳感器電機(jī),經(jīng)常會(huì)用到超前角/導(dǎo)通角(Lead Angle)。因?yàn)殡姍C(jī)線(xiàn)圈是感性負(fù)載,所以相對(duì)于線(xiàn)圈上的加載電壓,線(xiàn)圈里的電流會(huì)有一定的時(shí)延,這會(huì)影響電機(jī)的效率和產(chǎn)生噪音震動(dòng)等。
對(duì)于BLDC的梯形波/方波控制,調(diào)試并選取合適的超前角能在不改變基本控制算法的情況下,明顯提升電機(jī)控制的效率和震動(dòng)噪音水平。特別對(duì)于帶傳感器電機(jī),控制時(shí)序里的超前角相當(dāng)于調(diào)整電機(jī)內(nèi)部的傳感器位置,從而通過(guò)用簡(jiǎn)單易行的軟件方法實(shí)現(xiàn)等同于以不方便或困難的方式調(diào)整傳感器物理位置的效果。
1、三相BLDC控制原理(梯形波)
下圖表示了無(wú)刷電機(jī)梯形波控制算法的基本原理。首先,交流電整流為直流電壓,后級(jí)為變頻部分(inverter),包含6個(gè)開(kāi)關(guān)器件(FET):上橋臂的U、V、W和下橋臂的X、Y、Z。
按照一定順序控制這些FET開(kāi)關(guān)器件,比如:
1:U->Y
2:U->Z
3:V->Z
4:V->X
5:W->X
6:W->Y(假定電機(jī)方向?yàn)檎D(zhuǎn))
那么電流會(huì)按照下面的順序流過(guò)電機(jī)線(xiàn)圈:
1:U相到V相(U->V)
2:U相到W相(U->W)
3:V相到W相(V->W)
4:V相到U相(V->U)
5:W相到U相(W->U)
6:W相到V相(W->V)
共6步,如此循環(huán)。(如圖1所示)
圖1
同理,若電機(jī)方向?yàn)榉崔D(zhuǎn),則開(kāi)關(guān)順序?yàn)椋?/div>
1:U->Z
2:U->Y
3:W->Y
4:W->X
5:V->X
6:V->Z
這就是無(wú)刷電機(jī)BLDC的梯形波/方波控制算法。
2、三相BLDC控制時(shí)序
無(wú)刷電機(jī)的控制時(shí)序依賴(lài)于電機(jī)轉(zhuǎn)子位置,為方便說(shuō)明超前角/導(dǎo)通角,這里以帶霍爾傳感器的電機(jī)為例。按照霍爾芯片的位置判斷,反饋應(yīng)為中斷。每檢測(cè)到一個(gè)有效的霍爾位置信號(hào)編碼(Pattern),就開(kāi)始換相到下一步,然后接著開(kāi)始檢測(cè)下一次的位置反饋中斷。如下圖2。按照上述6步不斷換相的順序:
1:U->V
2:U->W
3:V->W
4:V->U
5:W->U
6:W->V
再循環(huán)往復(fù)。
圖2
在每次檢測(cè)到霍爾位置Pattern時(shí),換相并輸出對(duì)應(yīng)的脈寬調(diào)制(PWM - Pulse Width Modulation)Pattern。之后,對(duì)位置反饋信號(hào)開(kāi)始采樣監(jiān)控,直到再次檢測(cè)到有效的霍爾位置Pattern。
圖中PWM開(kāi)關(guān)信號(hào)(U~Z)中的黑色區(qū)塊為有效電平,內(nèi)含PWM載波(從幾K到幾十KHz,Duty可變)。圖中的相電壓(U相~W相)中的黑色窄柱狀波形是在此換相時(shí)刻(從此一步切換到下一步PWM Pattern),由于續(xù)流等原因(電機(jī)線(xiàn)圈的電感)造成的換相電壓跳變。
3、超前角
在無(wú)刷直流電機(jī)(BLDC - BrushLess DC)控制里經(jīng)常會(huì)用到Lead Angle,即超前角/導(dǎo)通角。因?yàn)殡姍C(jī)線(xiàn)圈是感性負(fù)載,所以相對(duì)于線(xiàn)圈上的加載電壓,線(xiàn)圈里的電流會(huì)有一定的時(shí)延,從而影響電機(jī)的效率和產(chǎn)生噪音。以電機(jī)U相電壓舉例,把上圖PWM信號(hào)U、X和U相電壓波形放大,如下圖。其中U相展開(kāi)可看到實(shí)際電壓波形,內(nèi)含PWM載波。忽略PWM載波看包絡(luò)圖,如下圖3最下面波形所示。
圖3:U相展開(kāi)時(shí)實(shí)際的電壓波形
這里,綠色虛線(xiàn)處是換相點(diǎn),定義為超前角/導(dǎo)通角0度點(diǎn)。該點(diǎn)位于相電壓中點(diǎn)右邊(后邊)30度。而Lead Angle超前角/導(dǎo)通角,顧名思義就是從超前角0度往左(往前)提前多少度。
一般來(lái)說(shuō),特別是無(wú)刷電機(jī)BLDC梯形波控制算法,在電機(jī)高轉(zhuǎn)速情況下,需要在每個(gè)換相點(diǎn)前對(duì)6個(gè)PWM輸入信號(hào)(U~Z)插入一定的Lead Angle超前角/導(dǎo)通角,圖4是不同超前角/導(dǎo)通角,從0度、7.5度、15度到30度,所分別對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)。
圖4
超前角/導(dǎo)通角的調(diào)試取決于電機(jī)本身參數(shù)、電機(jī)電壓以及電機(jī)轉(zhuǎn)速等。一般從經(jīng)驗(yàn)來(lái)說(shuō),對(duì)于相同電機(jī),在給定的電壓下,電機(jī)的轉(zhuǎn)速越高,那么就需要更高的超前角/導(dǎo)通角。調(diào)試合適的Lead Angle的關(guān)鍵方法就是在電機(jī)帶負(fù)載情況下,在感興趣的工作轉(zhuǎn)速(或范圍)下找出電機(jī)效率最高(輸出功率/輸入功率)、電機(jī)噪音和震動(dòng)最小的情況。
對(duì)于帶霍爾傳感器的電機(jī)來(lái)說(shuō),調(diào)整霍爾傳感器的物理位置(對(duì)應(yīng)到電子角度)也能起到類(lèi)似效果。而一般來(lái)說(shuō),霍爾傳感器位于電機(jī)內(nèi)的PCB板上,不太容易調(diào)整。反過(guò)來(lái)說(shuō),通過(guò)調(diào)整Lead Angle超前角/導(dǎo)通角,只要對(duì)應(yīng)好物理角度和電子角度(取決于電機(jī)轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù))關(guān)系,也能起到類(lèi)似修正電機(jī)內(nèi)部霍爾傳感器物理位置的作用,從而通過(guò)簡(jiǎn)單易行的軟件方式(超前角/導(dǎo)通角的調(diào)整)實(shí)現(xiàn)等同于以不方便或復(fù)雜的方式調(diào)整傳感器物理位置的效果。
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