Điều khiển tốc độ của động cơ BLDC: Giải thích về vòng lặp mở, vòng kín và PID

Tại sao động cơ BLDC cần điều khiển tốc độ chủ động

Động cơ DC có chổi than làm chậm hoặc tăng tốc theo cách khá trực tiếp - thay đổi điện áp trên chổi và động cơ sẽ phản hồi. Động cơ DC không chổi than (BLDC) không có được sự sang trọng đó. Không có chổi than và cổ góp cơ học, một bộ phận khác sẽ phải quyết định cuộn dây nào được cấp điện vào thời điểm nào, và chính hệ thống đó cuối cùng cũng chịu trách nhiệm về tốc độ.

"Cái gì khác" đó là bộ điều khiển động cơ. Nó chuyển đổi dòng điện qua cuộn dây ba pha theo đúng trình tự để giữ cho động cơ quay và bằng cách điều chỉnh cách chuyển đổi đó xảy ra, nó cũng đặt tốc độ quay của rôto. Thực hiện sai chiến lược điều khiển và động cơ không thể đạt được tốc độ yêu cầu hoặc nó quay cuồng và dao động thay vì giữ ổn định - một vấn đề liên tục xuất hiện trong động cơ trung tâm thường được ghép nối với bộ truyền động BLDC được điều khiển tốc độ trên xe đạp điện và xe điện hạng nhẹ, nơi người lái mong đợi phản ứng ga sẽ có cảm giác ngay lập tức và tuyến tính.

Kiểm soát tốc độ vòng lặp mở: Chu kỳ hoạt động của CPU

Cách đơn giản nhất để điều khiển tốc độ của động cơ BLDC là vòng lặp mở: bộ điều khiển điều chỉnh chu kỳ nhiệm vụ điều chế độ rộng xung (PWM) cung cấp cho các bóng bán dẫn điện, làm thay đổi điện áp trung bình đặt vào cuộn dây, làm thay đổi tốc độ. Chu kỳ hoạt động cao hơn, điện áp trung bình cao hơn, quay nhanh hơn. Không có vòng phản hồi nào kiểm tra xem động cơ có thực sự đạt tốc độ yêu cầu hay không - bộ điều khiển chỉ ra lệnh cho một chu kỳ hoạt động và tin tưởng động cơ sẽ tuân theo.

Cách tiếp cận này phổ biến vì nó rẻ và dễ thực hiện, đồng thời Hướng dẫn ứng dụng của Texas Instruments về điều khiển BLDC được cảm biến lưu ý rằng nó hoạt động tốt, đặc biệt trong các hệ thống có mối quan hệ giữa tốc độ đầu vào và kết quả có thể dự đoán được và việc theo dõi chặt chẽ không quan trọng. Sự cân bằng xuất hiện dưới tải thay đổi: không có phản hồi, tải tăng đột ngột sẽ kéo tốc độ xuống và bộ điều khiển không có cách nào để biết nó cần bù.

Kiểm soát tốc độ vòng kín: Cảm biến Hall và phản hồi

Điều khiển vòng kín giải quyết điểm mù đó bằng cách thêm tín hiệu phản hồi - thường là từ các cảm biến hiệu ứng Hall đã có sẵn để chuyển mạch, đôi khi từ một bộ mã hóa chuyên dụng. Bộ điều khiển liên tục so sánh tốc độ thực tế với mục tiêu, tính toán lỗi và điều chỉnh chu kỳ hoạt động của xung điều khiển xung điện trong thời gian thực để thu hẹp khoảng cách.

Bởi vì các cảm biến Hall đã báo cáo vị trí rôto cho mục đích chuyển mạch nên việc tính tốc độ từ thời gian giữa các lần chuyển đổi trạng thái Hall sẽ tăng thêm một ít chi phí phần cứng. Điều đó làm cho điều khiển vòng kín dựa trên Hall trở thành lựa chọn mặc định trên hầu hết các ứng dụng BLDC thương mại — nó giữ tốc độ ổn định khi tải thay đổi mà không cần cảm biến tốc độ riêng.

Điều khiển PI và PID: Các thuật toán đằng sau độ chính xác của vòng kín

Phép toán bên trong điều khiển vòng kín thường dựa vào bộ điều khiển PI hoặc PID xử lý sai số giữa tốc độ mục tiêu và tốc độ thực tế.

Bộ điều khiển PI (Tỷ lệ-Tích phân) kết hợp một số hạng tỷ lệ phản ứng với sai số hiện tại với một số hạng tích phân tích lũy sai số trong quá khứ theo thời gian, giúp loại bỏ phần bù nhỏ ở trạng thái ổn định mà chỉ riêng một số hạng tỷ lệ sẽ để lại. Việc thêm một thuật ngữ đạo hàm sẽ biến nó thành một bộ điều khiển PID đầy đủ, bộ điều khiển này cũng phản ứng với tốc độ thay đổi của sai số — hữu ích cho việc giảm chấn quá mức trong các hệ thống cần nhanh chóng đạt được tốc độ mục tiêu mà không dao động vượt quá tốc độ đó.

Điều khiển PI có xu hướng trở thành mặc định thực tế cho việc điều chỉnh tốc độ cho mục đích chung vì nó điều chỉnh đơn giản hơn và ít nhạy cảm hơn với nhiễu cảm biến so với vòng lặp PID đầy đủ. PID ngày càng trở nên phức tạp hơn trong các ứng dụng như robot hoặc máy bay không người lái, trong đó việc xử lý nhanh chóng, chính xác ở tốc độ mới quan trọng hơn việc điều chỉnh tính đơn giản.

Lựa chọn bộ điều khiển ảnh hưởng như thế nào đến chất lượng kiểm soát tốc độ trong thế giới thực

Thuật toán điều khiển chỉ thực hiện tốt như phần cứng thực thi nó. Bộ điều khiển có vòng điều khiển chậm hoặc khả năng cảm nhận dòng điện kém sẽ vẫn săn tìm và bị trễ ngay cả khi mức tăng PID được điều chỉnh tốt, đó là lý do tại sao tốc độ phản hồi lại quan trọng như thông số phần cứng chứ không chỉ phần mềm. Bộ điều khiển phản ứng nhanh được điều chỉnh để điều chỉnh tốc độ nhanh rút ngắn độ trễ giữa thay đổi tải và phản hồi bù của bộ điều khiển, đây là yếu tố thực sự xác định mức độ ổn định của động cơ khi thay đổi tải trong thế giới thực thay vì trong thử nghiệm băng ghế sạch.

Tần số chuyển mạch củaPWM và sự tương tác của nó với cuộn dây động cơ cũng ảnh hưởng đến khía cạnh âm thanh và cơ học của việc điều khiển tốc độ - sơ đồ chuyển mạch được điều chỉnh kém có thể tạo ra tiếng rên rỉ hoặc rung động trở nên tồi tệ hơn khi chu kỳ nhiệm vụ thay đổi. Bộ điều khiển cực kỳ yên tĩnh giúp giảm tiếng ồn khi chuyển mạch xung quanh tốc độ giải quyết vấn đề đó một cách trực tiếp, vấn đề quan trọng trong các ứng dụng tiêu dùng, nơi mà tiếng ồn động cơ nghe được cũng là nguyên nhân gây ra khiếu nại cũng như hiệu suất thô.

Kết hợp bộ điều khiển với động cơ để kiểm soát tốc độ đáng tin cậy

Ngay cả bộ điều khiển vòng kín được thiết kế tốt cũng không thể bù đắp cho sự không phù hợp giữa định mức hiện tại, cấu hình cảm biến Hall và động cơ mà nó đang điều khiển. Số cực, điện trở pha và thời gian cảm biến đều ảnh hưởng đến mức độ sạch của bộ điều khiển có thể đọc phản hồi và phản hồi, đồng thời việc ghép nối không khớp sẽ xuất hiện khi vận hành thô ở tốc độ thấp, nhiệt độ quá cao hoặc kiểm soát tốc độ không bao giờ ổn định. Hướng dẫn ghép nối bộ điều khiển và động cơ của chúng tôi bao gồm cách kiểm tra xem các thông số kỹ thuật của bộ điều khiển có thực sự phù hợp với động cơ mà nó dùng để dẫn động hay không trước khi những vấn đề đó xuất hiện tại hiện trường.

Dành cho những độc giả muốn tìm hiểu sâu hơn về cách triển khai thuật toán điều khiển trong phần sụn, cái nhìn sâu hơn của chúng tôi về lớp phần mềm đằng sau bộ điều khiển động cơ hiện đại bao gồm cách cấu trúc và điều chỉnh các vòng điều khiển này ở cấp độ chương trình cơ sở.