時(shí)間:2022-11-07 20:12:54來源:控制工程Matthieu Bouat
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“高功率無刷電機(jī)必須由PWM控制,并要求微控制器提供啟動(dòng)和控制功能。那您了解PWM 在無刷直流電機(jī)控制中的作用嗎? ”
當(dāng)選擇或開發(fā)使用脈寬調(diào)制(PWM)驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)的電子設(shè)備時(shí),運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員經(jīng)常會(huì)面臨挑戰(zhàn)。注意一些基本的物理現(xiàn)象,可以避免意外的性能問題。本文為PWM驅(qū)動(dòng)器與無刷直流電機(jī)配合使用提供了通用指導(dǎo)。
無刷直流電機(jī)的換向
有刷直流電機(jī)使用機(jī)械換向,無刷直流電機(jī)與此不同,采用電子換向。這意味著電機(jī)的相位,根據(jù)轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的位置依次通電和斷電。對(duì)于三相無刷直流電機(jī),驅(qū)動(dòng)器由六個(gè)電子開關(guān)(通常為晶體管)組成,通常稱為三相H 橋(圖1)。此配置允許三個(gè)雙向輸出,為電機(jī)的三相通電。
▎圖 1 :由六個(gè)晶體管組成的三相電機(jī) H 橋,與三個(gè)電機(jī)相位相連。
按特定順序打開和關(guān)閉晶體管,使電機(jī)各相通電,以確保定子與轉(zhuǎn)子磁鐵感應(yīng)所產(chǎn)生的磁場保持最佳方向(圖2)。
▎圖 2 :無槽無刷直流電機(jī)的橫截面示意圖。藍(lán)色 區(qū)域是帶有兩極永磁體的轉(zhuǎn)子。磁鐵產(chǎn)生的磁場 由藍(lán)色箭頭表示。橙色區(qū)域?yàn)槿嗬@組。當(dāng)電流 從 A 相流向 C 相時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場,由橙色箭頭表 示,以便于簡化。當(dāng)兩個(gè)箭頭對(duì)齊時(shí),轉(zhuǎn)子將旋 轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)器變換相位(旋轉(zhuǎn)定子磁場,橙色箭頭), 以確保定子和轉(zhuǎn)子磁場之間盡可能保持 90 度(產(chǎn) 生最大扭矩)。
電機(jī)可以采用廣泛使用的六步梯形換向驅(qū)動(dòng)(圖3),也可以通過操作實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)的矢量控制,也稱為磁場定向控制(FOC),具體取決于電子設(shè)備的復(fù)雜程度(圖4)。
▎圖 3 :六步換向相電流和霍爾傳感器狀態(tài)。
圖 4 :使用 FOC 放大器的相電流。
無刷直流電機(jī)的PWM調(diào)節(jié)
在有刷或無刷直流電機(jī)中,應(yīng)用的工作點(diǎn)(速度和扭矩)可能會(huì)有所不同。放大器的作用是改變電源電壓或電流,或兩者都改變,以實(shí)現(xiàn)期望的運(yùn)動(dòng)輸出(圖5)。
▎圖 5:有刷直流電機(jī)和無刷直流電機(jī)之間的運(yùn)動(dòng)控制架構(gòu)比較。
改變電壓或電流通常有兩種不同的方式:
·線性放大器;
·斬波器放大器。
線性放大器通過改變電壓或電流,來調(diào)整傳遞給電機(jī)的功率。未輸送至電機(jī)的功率被耗散(圖6)。因此,需要一個(gè)大型散熱器來耗散功率,從而增大放大器的尺寸,使其更難以集成到應(yīng)用中。
▎圖 6 :為電機(jī)供電的線性放大器示例。
斬波放大器通過打開和關(guān)閉功率晶體管來調(diào)節(jié)電壓(和電流)。它的主要優(yōu)點(diǎn)是在晶體管關(guān)閉時(shí)可以節(jié)省電源。這有助于節(jié)省應(yīng)用的電池壽命,減少電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量,并允許使用尺寸更小的電子設(shè)備。大多數(shù)情況下,斬波放大器都使用PWM 方法。
PWM 方法包括在固定頻率下改變占空比(圖7),以將電壓或電流調(diào)整到期望的目標(biāo)值內(nèi)。請注意,與其它方法相比,PWM 斬波電流的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)頻率是一個(gè)固定參數(shù)。這使得電子設(shè)計(jì)師更容易過濾電磁噪聲。當(dāng)PWM 晶體管占空比為100% 時(shí),施加到電機(jī)上的電壓為母線電壓。當(dāng)晶體管占空比為50% 時(shí),施加在電機(jī)上的平均電壓為母線電壓的一半。當(dāng)晶體管占空比為0% 時(shí),不會(huì)向電機(jī)施加電壓。
▎圖 7 :不同的 PWM 占空比。所有工況下的頻率都是相同的,而平均電壓(虛線)與占空比成比例。
無刷直流電機(jī)的電感效應(yīng)
直流電機(jī)的特點(diǎn)是電感L、電阻R 和反電動(dòng)勢E 串聯(lián)。反電動(dòng)勢是由磁感應(yīng)(法拉第- 楞次感應(yīng)定律)產(chǎn)生的電壓,它與施加的電壓相反,并且與電機(jī)速度成正比。圖8 顯示了PWM 接通和PWM 斷開時(shí)的電機(jī)。
▎圖 8:PWM 接通(左)和斷開(右)時(shí),直流電機(jī)的簡化等效 電路圖。為簡單起見,右側(cè)電路對(duì)應(yīng)于慢衰減模式(電機(jī)中 的電流再循環(huán))。
現(xiàn)在,為了簡單起見,我們不考慮反電動(dòng)勢。當(dāng)向R L 電路施加電壓或切斷電壓時(shí),電感器將阻止電流的變化。向R L 電路施加電壓U,電流將遵循一階指數(shù)上升,其動(dòng)態(tài)取決于由L / R 比決定的電時(shí)間常數(shù)τ(圖9)。在經(jīng)過5 倍時(shí)間常數(shù)后,它將逐漸達(dá)到穩(wěn)態(tài)值,即99.7%的U/R。
▎圖 9:RL 電路中的電流按指數(shù)規(guī)律上升。
當(dāng)R L 電路放電時(shí),將觀察到相同的指數(shù)行為。實(shí)際上,無刷直流放大器具有相當(dāng)高的PWM 頻率,電流不容易達(dá)到穩(wěn)態(tài)。該頻率通常高于50 k H z,因此在每個(gè)換相步驟中,有足夠的周期對(duì)電流進(jìn)行適當(dāng)調(diào)制。對(duì)于50k H z 的PWM 頻率,關(guān)閉和打開晶體管的周期時(shí)間等于20μs?紤]到六步換向,一個(gè)以40000 r p m(667H z)運(yùn)行的單極對(duì)電機(jī)的一次換向時(shí)間,需要250μs。這樣,在一步換向期間,至少有250/20=12.5 個(gè)PWM 周期。
無刷直流電機(jī)的電氣時(shí)間常數(shù)τ 為幾百微秒。因此,在每個(gè)PWM 周期內(nèi),電流將有時(shí)間作出反應(yīng)。但是,機(jī)械時(shí)間常數(shù)在幾毫秒范圍內(nèi),因此機(jī)械時(shí)間常數(shù)和電氣時(shí)間常數(shù)之間的系數(shù)為10。因此,當(dāng)電壓以典型PWM頻率切換時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)子本身沒有足夠的時(shí)間響應(yīng)。幾千Hz 的低PWM 頻率可能會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動(dòng)和可聽見的噪音。建議使用高于可聽頻率的頻譜,即至少高于20 kHz。
無刷直流電機(jī)PWM 的限制
PWM 將導(dǎo)致每個(gè)周期的電流上升和下降。電流最小值和最大值之間的變化稱為電流紋波。高電流紋波可能會(huì)導(dǎo)致問題。建議將其保持在盡可能低的水平。電機(jī)轉(zhuǎn)矩需要考慮平均電流。平均電流取決于占空比,與電流紋波無關(guān)。
與有刷直流電機(jī)不同,無刷直流電機(jī)沒有電刷。高電流紋波對(duì)壽命本身沒有影響。電流波動(dòng)會(huì)對(duì)電機(jī)損耗產(chǎn)生很大影響,產(chǎn)生不必要的熱量。電流紋波將產(chǎn)生兩類損耗:
焦耳損耗。電流紋波將增加均方根(R M S)電流值,這是焦耳損耗計(jì)算中考慮的。紋波將產(chǎn)生額外的熱量,但不會(huì)增加平均電流,因此不會(huì)增加扭矩。請注意,它是RMS 電流函數(shù)變化的平方。
鐵損耗。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,導(dǎo)電材料中磁場的變化將產(chǎn)生電壓,然后產(chǎn)生被稱為渦流的電流回路。鐵損耗與電機(jī)速度的平方和電機(jī)電流的平方成正比。根據(jù)實(shí)際測量,當(dāng)電流紋波較大時(shí),產(chǎn)生的額外鐵損耗會(huì)顯著增加。因此,保持電流紋波盡可能低非常重要。
最小化電流紋波的建議
我們可以制定一些建議,以盡量減紋波:
降低或調(diào)整電源電壓。電流紋波與電源電壓成比例。高電壓,有助于到達(dá)需要高速或更高功率的極端工作點(diǎn)。然而,如果應(yīng)用不需要高速或高功率,則較低的電源電壓將有利于降低電流紋波。在相同負(fù)載點(diǎn)下,以較低電壓運(yùn)行也會(huì)增加占空比,這將進(jìn)一步降低電流紋波。務(wù)必將PWM 的占空比盡可能保持在50% 以內(nèi),這是最壞的情況。
增加PWM 頻率。頻率越高,PWM 的周期越短;因此,電流上升的時(shí)間更短。建議無刷直流電機(jī)的PWM 頻率不低于50 kHz。80 kHz 或更高的PWM 頻率,更適合于電氣時(shí)間常數(shù)非常小的電機(jī)。
增加電感。無刷直流電機(jī)的電感值非常小。增加外部電感是一個(gè)好主意,因?yàn)樗鼈兛梢詼p緩電流的上升和下降,從而減少電流紋波。此外,針對(duì)1 k H z 的PWM頻率給出了指定的電感值。由于電機(jī)電感隨PWM 頻率變化,在50 kH z 的典型PWM 頻率下,電感可能會(huì)降低至規(guī)定值的70%。
通常通過實(shí)驗(yàn)確定電感的最佳值。需要增加額外的電感,如圖10 所示。雖然這種解決方案可以解決當(dāng)前的紋波問題,但集成附加電感可能并不容易,尤其是在空間有限的情況下。因此,首先探索其它兩種方案通常是明智選擇。
▎圖 10 :帶有額外線路電感的無刷電機(jī)。
PWM 具有許多優(yōu)點(diǎn),是無刷直流電機(jī)中應(yīng)用最廣泛的解決方案。設(shè)置適當(dāng)?shù)腜WM 電壓,使用較高的PWM 頻率,將有助于減少紋波,并可以避免使用額外的電感。得益于現(xiàn)在電子元件較低的成本,使得采用高PWM 頻率成為一種簡單的解決方案。
當(dāng)涉及電子設(shè)備的尺寸和重量時(shí)(例如嵌入式電子設(shè)備的便攜式設(shè)備),或者當(dāng)電池壽命是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)時(shí)(額外電感內(nèi)阻的焦耳損耗所消耗的額外能量),電氣設(shè)計(jì)師在開發(fā)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮這些參數(shù)。
關(guān)鍵概念:
■ 審查無刷直流電機(jī)的PWM調(diào)節(jié)。
■ 了解無刷直流電機(jī)PWM的限制。
思考一下:
您是否正在解決選擇或開發(fā)使用PWM驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)的電子設(shè)備所面臨的挑戰(zhàn)?
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