無(wú)刷控制器出現(xiàn)故障分析原因及解決方案-KIA 元器件廠家
信息來(lái)源：本站 日期：2017-12-21
直流電機(jī)具有良好的調(diào)速性能,如無(wú)級(jí)調(diào)速、調(diào)速范圍寬、低速性能好、高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、高效率等。無(wú)刷直流電機(jī)由于采用電子換向,PWM調(diào)速,在進(jìn)一步提高直流電機(jī)性能的同時(shí)又克服了直流電機(jī)機(jī)械換向帶來(lái)的一系列問(wèn)題,從而大大延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命,近年來(lái)已廣泛應(yīng)用于家電、汽車、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等領(lǐng)域。
無(wú)刷直流(BLDC)電機(jī)具有多種優(yōu)點(diǎn)：效率更高、壽命更長(zhǎng)、不產(chǎn)生火花、可靠性高，可以選擇多檔速度，并有大扭矩。因此，越來(lái)越多的應(yīng)用依賴于無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)，包括醫(yī)療設(shè)備、家用電器、樓宇控制和工業(yè)自動(dòng)化等等。
對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制即可采用開(kāi)環(huán)控制,也可采用閉環(huán)控制。與開(kāi)環(huán)控制相比,速度控制閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性有以下優(yōu)越性：閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性與開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性相比,其性能大大提高;理想空載轉(zhuǎn)速相同時(shí),閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率（額定負(fù)載時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速之比）要小得多;當(dāng)要求的靜差率相同時(shí), 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍可以大大提高。無(wú)刷直流電機(jī)的速度控制方案如圖1所示。
無(wú)刷直流電機(jī)控制器可采用電機(jī)控制專用DSP，也可采用單片機(jī)＋無(wú)刷直流電機(jī)控制專用集成電路的方案。前者集成度高，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，運(yùn)算速度快，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的速度控制算法，但由于DSP的價(jià)格高而不適合于小功率低成本的無(wú)刷直流電機(jī)控制器。后者雖然運(yùn)算速度低，但只要采用適當(dāng)?shù)乃俣瓤刂扑惴?，依然可以達(dá)到較高的控制精度，適合于小功率低成本的無(wú)刷直流電機(jī)控制器。
第二代無(wú)刷直流電機(jī)控制專用集成電路，集成了轉(zhuǎn)子位置傳感器譯碼器電路、脈寬調(diào)制電路（PWM）、功率輸出驅(qū)動(dòng)電路、限流電路，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)速度開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的全部控制功能。以及由MOSFET型場(chǎng)效應(yīng)管組成的功率驅(qū)動(dòng)電路，無(wú)刷電機(jī)控制邏輯和保護(hù)由對(duì)號(hào)完成，單片機(jī)用來(lái)完成轉(zhuǎn)速設(shè)定值的獲取、轉(zhuǎn)速反饋的實(shí)時(shí)采樣以及速度控制算法的實(shí)現(xiàn)。
閉環(huán)速度調(diào)節(jié)器采用比例積分微分控制（簡(jiǎn)稱PID控制），其輸出是輸入的比例、積分和微分的函數(shù)。PID調(diào)節(jié)器控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)容易整定，不必求出被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，因此PID調(diào)節(jié)器得到了廣泛的應(yīng)用。
PID調(diào)節(jié)器雖然易于使用，但在設(shè)計(jì)、調(diào)試無(wú)刷直流電機(jī)控制器的過(guò)程中應(yīng)注意：PID調(diào)節(jié)器易受干擾、采樣精度的影響，且受數(shù)字量上下限的影響易產(chǎn)生上下限積分飽和而失去調(diào)節(jié)作用。所以，在不影響控制精度的前提下對(duì)PID控制算法加以改進(jìn)，關(guān)系到整個(gè)無(wú)刷直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)的成敗。
為在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)，需要得到電機(jī)速度設(shè)定值（通過(guò)A／D變換器）和電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，這需要通過(guò)精心的設(shè)計(jì)才能完成。
無(wú)刷直流電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速可通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)子位置傳感器（通常是霍爾傳感器）信號(hào)得到，在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)霍爾傳感器可以得到如圖2所示的周期信號(hào)。
圖2：霍爾傳感器信號(hào)
由圖2可知,電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈,每一相霍爾傳感器產(chǎn)生2個(gè)周期的方波,且其周期與電機(jī)轉(zhuǎn)速成反比,因此可以利用霍爾傳感器信號(hào)得到電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。為盡可能縮短一次速度采樣的時(shí)間,可測(cè)得任意一相霍爾傳感器的一個(gè)正脈沖的寬度,則電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速為：
但由于利用霍爾傳感器信號(hào)測(cè)速，所以測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)的采樣周期是變化的，低速時(shí)采樣周期要長(zhǎng)些，這影響了PID調(diào)節(jié)器的輸出，導(dǎo)致電機(jī)低速時(shí)的動(dòng)態(tài)特性變差。解決的辦法是將三相霍爾傳感器信號(hào)相“與”，產(chǎn)生3倍于一相霍爾傳感器信號(hào)頻率的倍頻信號(hào)，這樣可縮短一次速度采樣的時(shí)間，但得增加額外的硬件開(kāi)銷。直接利用霍爾傳感器信號(hào)測(cè)速雖然方便易行，但這種測(cè)速方法對(duì)霍爾傳感器在電機(jī)定子圓周上的定位有較嚴(yán)格的要求，當(dāng)霍爾傳感器在電機(jī)定子圓周上定位有誤差時(shí)，相鄰2個(gè)正脈沖的寬度不一致，會(huì)導(dǎo)致較大的測(cè)速誤差，影響PID調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)性能。若對(duì)測(cè)速精度要求較高時(shí)，可采用增量式光電碼盤(pán)，但同樣會(huì)增加了電路的復(fù)雜性和硬件的開(kāi)銷。
電機(jī)速度設(shè)定值可以通過(guò)一定范圍內(nèi)的電壓來(lái)表示。系統(tǒng)中采用了串行A／D來(lái)實(shí)現(xiàn)速度設(shè)定值的采樣。但在電機(jī)調(diào)速的過(guò)程中，電機(jī)控制器的功率輸出部分會(huì)對(duì)A／D模擬輸入電壓產(chǎn)生干擾，進(jìn)行抗干擾處理。
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