Hastighetskontroll av BLDC-motor: åpen sløyfe, lukket sløyfe og PID forklart

Hvorfor BLDC-motorer trenger aktiv hastighetskontroll

En børstet DC-motor bremser ned eller øker hastigheten på en ganske direkte måte - endre spenningen over børstene, og motoren reagerer. En børsteløs DC (BLDC) motor har ikke den luksusen. Uten børster og en mekanisk kommutator, må noe annet avgjøre hvilken vikling som får energi på hvilket øyeblikk, og det samme systemet ender også med å være ansvarlig for hastigheten.

Det "noe annet" er motorkontrolleren. Den bytter strøm gjennom de tre fasede viklingene i riktig rekkefølge for å holde motoren i gang, og ved å justere hvordan vekslingen skjer, setter den også hvor raskt rotoren snurrer. Få kontrollstrategien feil, og motoren kan enten ikke nå hastigheten den blir bedt om, eller den jakter og svinger i stedet for å holde seg stødig - et problem som dukker opp konstant i navmotorer som vanligvis er sammenkoblet med hastighetskontrollerte BLDC-drev på e-sykler og lette elbiler, hvor syklistene forventer at gassresponsen føles umiddelbar og lineær.

Åpen sløyfehastighetskontroll: PWM Duty Cycle

Den enkleste måten å kontrollere hastigheten til en BLDC-motor på er åpen sløyfe: kontrolleren justerer pulsbreddemodulasjonen (PWM) driftssyklusen som mater krafttransistorene, noe som endrer den gjennomsnittlige spenningen som påføres viklingene, som endrer hastighet. Høyere driftssyklus, mer gjennomsnittlig spenning, raskere spinn. Ingen tilbakemeldingssløyfe sjekker om motoren faktisk nådde den forespurte hastigheten - kontrolleren kommanderer bare en driftssyklus og stoler på at motoren følger.

Denne tilnærmingen er vanlig fordi den er billig og enkel å implementere, og Texas Instruments' applikasjonsveiledning om sensorert BLDC-kontroll bemerker at det fungerer bra spesielt i systemer der forholdet mellom input og resulterende hastighet er forutsigbart og tett sporing ikke er kritisk. Avveiningen dukker opp under variabel belastning: uten tilbakemelding vil en plutselig belastningsøkning trekke hastigheten ned og kontrolleren har ingen måte å vite at den trenger å kompensere.

Hastighetskontroll med lukket sløyfe: Hallsensorer og tilbakemelding

Kontroll med lukket sløyfe løser den blindsonen ved å legge til et tilbakemeldingssignal - vanligvis fra Hall-effektsensorer som allerede er tilstede for kommutering, noen ganger fra en dedikert koder. Kontrolleren sammenligner kontinuerlig faktisk hastighet med målet, beregner feilen og justerer PWM-driftsyklusen i sanntid for å lukke gapet.

Fordi Hall-sensorer allerede rapporterer rotorposisjon for kommuteringsformål, gir det lite ekstra maskinvarekostnad å utlede hastighet fra timingen mellom Hall-tilstandsoverganger. Det gjør Hall-basert lukket sløyfekontroll til standardvalget på tvers av de fleste kommersielle BLDC-applikasjoner – den holder hastigheten stabil når lasten endres, uten å trenge en separat hastighetssensor.

PI- og PID-kontroll: Algoritmene bak Closed-Loop Precision

Matematikken i lukket sløyfekontroll kommer vanligvis ned til en PI- eller PID-kontroller som virker på feilen mellom mål- og faktisk hastighet.

En PI-kontroller (proporsjonal-integral) kombinerer en proporsjonal term som reagerer på gjeldende feil med en integral term som akkumulerer tidligere feil over tid, noe som eliminerer den lille steady-state offset en proporsjonal term alene ville etterlatt seg. Å legge til et avledet begrep gjør det til en full PID-kontroller, som også reagerer på endringshastigheten til feilen – nyttig for å dempe overskyting i systemer som trenger å sette seg på en målhastighet raskt uten å oscillere forbi den.

PI-kontroll har en tendens til å være den praktiske standarden for generell hastighetsregulering fordi den er enklere å stille inn og mindre følsom for sensorstøy enn en full PID-sløyfe. PID tjener sin ekstra kompleksitet i applikasjoner som robotikk eller droner, der rask, presis avgjørelse med en ny hastighet betyr mer enn enkel innstilling.

Hvordan kontrollerens valg påvirker den virkelige hastighetskontrollkvaliteten

Kontrollalgoritmen fungerer bare så godt som maskinvaren som utfører den. En kontroller med en langsom kontrollsløyfe eller dårlig strømføling vil fortsatt jakte og ligge etter selv med godt innstilte PID-gevinster, og det er grunnen til at responshastighet er viktig som en maskinvarespesifikasjon, ikke bare en programvare. En kontroller med hurtig respons innstilt for rask hastighetskorreksjon forkorter forsinkelsen mellom en lastendring og kontrollerens kompenserende respons, som er det som faktisk bestemmer hvor stødig motoren føles under virkelige lastsvingninger i stedet for i en ren benktest.

PWM-svitsjefrekvens og dens interaksjon med motorviklingene påvirker også den hørbare og mekaniske siden av hastighetskontroll - et dårlig innstilt bytteskjema kan produsere sutring eller vibrasjon som blir verre ettersom driftssyklusen endres. En ultrastille kontroller som holder PWM-svitsjestøy lav ved hastighet adresserer det direkte, noe som betyr noe i forbrukerapplikasjoner der hørbar motorstøy er like mye en klagedriver som rå ytelse.

Matchende kontroller til motor for pålitelig hastighetskontroll

Selv en godt designet lukket sløyfekontroller kan ikke kompensere for et misforhold mellom dens nåværende vurdering, Hall-sensorkonfigurasjonen og motoren den driver. Poltelling, fasemotstand og sensortiming er alle faktorer som spiller inn i hvor rent en kontroller kan lese tilbakemeldinger og reagere, og en feilaktig sammenkobling viser seg som grov lavhastighetsdrift, overskuddsvarme eller hastighetskontroll som aldri helt setter seg. Vår kontroller og motorparingsguide dekker hvordan du sjekker at en kontrollers spesifikasjoner faktisk passer til motoren den er ment å drive før disse problemene dukker opp i felten.

For lesere som ønsker å gå dypere inn i hvordan selve kontrollalgoritmen blir implementert i fastvare, vår dypere titt på programvarelaget bak moderne motorkontrollere dekker hvordan disse kontrollsløyfene er strukturert og innstilt på fastvarenivå.