Regulácia otáčok motora BLDC: Vysvetlenie s otvorenou slučkou, uzavretou slučkou a PID

Prečo BLDC motory potrebujú aktívnu reguláciu otáčok

Kartáčovaný jednosmerný motor spomaľuje alebo zrýchľuje pomerne priamym spôsobom – zmeňte napätie na kefách a motor zareaguje. Bezkartáčový jednosmerný (BLDC) motor nemá taký luxus. Bez kief a mechanického komutátora musí niečo iné rozhodnúť o tom, ktoré vinutie sa v ktorom okamihu aktivuje, a ten istý systém je zodpovedný aj za rýchlosť.

To "niečo iné" je ovládač motora. Prepína prúd cez tri fázové vinutia v správnom poradí, aby sa motor otáčal, a úpravou spôsobu, akým k tomuto prepínaniu dochádza, tiež nastavuje, ako rýchlo sa rotor otáča. Pomýlite si stratégiu riadenia a motor buď nedosiahne požadovanú rýchlosť, alebo sa pohybuje a osciluje namiesto toho, aby držal stabilne – problém, ktorý sa neustále objavuje nábojové motory bežne spárované s BLDC pohonmi s riadenou rýchlosťou na e-bicykloch a ľahkých EV, kde jazdci očakávajú okamžitú a lineárnu odozvu na plyn.

Riadenie rýchlosti s otvorenou slučkou: PWM Duty Cycle

Najjednoduchší spôsob ovládania rýchlosti motora BLDC je s otvorenou slučkou: regulátor nastavuje pracovný cyklus modulácie šírky impulzov (PWM) napájajúci výkonové tranzistory, čím sa mení priemerné napätie aplikované na vinutia, čím sa mení rýchlosť. Vyšší pracovný cyklus, priemernejšie napätie, rýchlejšia rotácia. Žiadna spätnoväzbová slučka nekontroluje, či motor skutočne dosiahol požadovanú rýchlosť – regulátor iba nariaďuje pracovný cyklus a verí, že motor bude nasledovať.

Tento prístup je bežný, pretože je lacný a jednoduchý na implementáciu Návod k aplikácii Texas Instruments na senzorové riadenie BLDC poznamenáva, že funguje dobre najmä v systémoch, kde je vzťah medzi vstupom a výslednou rýchlosťou predvídateľný a prísne sledovanie nie je kritické. Kompromis sa prejavuje pri premenlivom zaťažení: bez spätnej väzby náhle zvýšenie zaťaženia zníži rýchlosť a regulátor nemá ako vedieť, že potrebuje kompenzáciu.

Regulácia rýchlosti v uzavretej slučke: Hallove senzory a spätná väzba

Riadenie s uzavretou slučkou rieši tento mŕtvy bod pridaním signálu spätnej väzby – zvyčajne zo snímačov Hallovho efektu, ktoré sú už prítomné na komutáciu, niekedy zo špeciálneho kódovača. Regulátor nepretržite porovnáva skutočnú rýchlosť s cieľom, vypočítava chybu a upravuje pracovný cyklus PWM v reálnom čase, aby sa medzera uzavrela.

Pretože Hallove senzory už hlásia polohu rotora na účely komutácie, odvodzovanie rýchlosti z časovania medzi prechodmi Hallovho stavu zvyšuje náklady na hardvér navyše. Vďaka tomu je Hallovo riadenie s uzavretou slučkou predvolenou voľbou vo väčšine komerčných aplikácií BLDC – udržiava rýchlosť stabilnú pri zmene zaťaženia bez potreby samostatného snímača rýchlosti.

PI a PID riadenie: Algoritmy za presnosťou v uzavretej slučke

Matematika v regulácii s uzavretou slučkou sa zvyčajne týka PI alebo PID regulátora, ktorý pôsobí na chybu medzi cieľovou a skutočnou rýchlosťou.

Regulátor PI (Proportional-Integral) kombinuje proporcionálny člen, ktorý reaguje na aktuálnu chybu, s integrálnym členom, ktorý akumuluje minulú chybu v priebehu času, čo eliminuje malú odchýlku v ustálenom stave, ktorú by proporcionálny člen sám o sebe zanechal. Pridaním derivačného členu sa z neho stane úplný PID regulátor, ktorý tiež reaguje na rýchlosť zmeny chyby – užitočné na tlmenie prekmitov v systémoch, ktoré sa potrebujú rýchlo ustáliť na cieľovej rýchlosti bez toho, aby okolo nej oscilovali.

PI riadenie má tendenciu byť praktickým štandardom pre univerzálnu reguláciu rýchlosti, pretože je jednoduchšie naladiť a je menej citlivé na šum snímača ako plná PID slučka. PID získava svoju mimoriadnu zložitosť v aplikáciách, ako sú robotika alebo drony, kde je rýchle a presné nastavenie pri novej rýchlosti dôležitejšie ako jednoduchosť ladenia.

Ako výber ovládača ovplyvňuje kvalitu regulácie rýchlosti v reálnom svete

Riadiaci algoritmus funguje len rovnako dobre ako hardvér, ktorý ho vykonáva. Regulátor s pomalou regulačnou slučkou alebo slabým snímaním prúdu bude stále loviť a meškať aj s dobre vyladeným ziskom PID, a preto je rýchlosť odozvy dôležitá ako hardvérová špecifikácia, nielen softvérová. Ovládač s rýchlou odozvou vyladený pre rýchlu korekciu rýchlosti skracuje oneskorenie medzi zmenou záťaže a kompenzačnou odozvou regulátora, čo v skutočnosti určuje, ako stabilne sa motor cíti pri kolísaní záťaže v reálnom svete, a nie pri teste na čistom skúšobnom zariadení.

Frekvencia spínania PWM a jej interakcia s vinutím motora tiež ovplyvňuje počuteľnú a mechanickú stránku ovládania rýchlosti – zle vyladená schéma spínania môže spôsobiť pískanie alebo vibrácie, ktoré sa zhoršujú so zmenou pracovného cyklu. Mimoriadne tichý ovládač, ktorý pri rýchlosti udržuje nízky hluk spínania PWM rieši to priamo, čo je dôležité v spotrebiteľských aplikáciách, kde je počuteľný hluk motora rovnako podnetom na sťažnosti ako hrubý výkon.

Prispôsobenie ovládača motoru pre spoľahlivú reguláciu rýchlosti

Dokonca aj dobre navrhnutý regulátor s uzavretou slučkou nemôže kompenzovať nesúlad medzi jeho menovitým prúdom, konfiguráciou Hallovho senzora a motorom, ktorý poháňa. Počet pólov, fázový odpor a načasovanie snímača ovplyvňujú to, ako čisto dokáže ovládač čítať spätnú väzbu a reagovať, a nesprávne spárovanie sa prejaví ako hrubá prevádzka pri nízkej rýchlosti, nadmerné teplo alebo ovládanie rýchlosti, ktoré sa nikdy celkom neusadí. Náš sprievodca párovaním ovládača a motora popisuje, ako skontrolovať, či špecifikácie regulátora skutočne zodpovedajú motoru, ktorý má poháňať, skôr než sa tieto problémy prejavia v teréne.

Pre čitateľov, ktorí chcú ísť hlbšie do toho, ako sa samotný riadiaci algoritmus implementuje do firmvéru, náš hlbší pohľad na softvérovú vrstvu za modernými ovládačmi motora popisuje, ako sú tieto riadiace slučky štruktúrované a vyladené na úrovni firmvéru.