BLDC-moottorin nopeudensäätö: avoimen silmukan, suljetun silmukan ja PID selitetty

Miksi BLDC-moottorit tarvitsevat aktiivisen nopeudensäädön

Harjattu tasavirtamoottori hidastaa tai kiihtyy melko suoralla tavalla – muuta jännitettä harjojen yli, ja moottori reagoi. Harjattomassa tasavirtamoottorissa (BLDC) ei ole tätä ylellisyyttä. Ilman harjoja ja mekaanista kommutaattoria jonkin muun on päätettävä, mikä käämi saa jännitteen millä hetkellä, ja sama järjestelmä on vastuussa myös nopeudesta.

Se "jokin muu" on moottorin ohjain. Se kytkee virran kolmen vaihekäämin läpi oikeassa järjestyksessä pitääkseen moottorin pyörimässä, ja säätämällä kytkentätapaa se asettaa myös roottorin pyörimisnopeuden. Jos ohjausstrategia on väärä, moottori ei joko saavuta vaadittua nopeutta tai se metsästää ja värähtelee sen sijaan, että pysyisi vakaana – ongelma, joka ilmenee jatkuvasti napamoottorit, jotka on yleensä yhdistetty nopeusohjattujen BLDC-käyttöjen kanssa sähköpyörissä ja kevyissä sähköautoissa, joissa ajajat odottavat kaasuvasteen tuntuvan välittömältä ja lineaariselta.

Avoimen silmukan nopeudensäätö: PWM-käyttöjakso

Yksinkertaisin tapa ohjata BLDC-moottorin nopeutta on avoin silmukka: ohjain säätää tehotransistoreja syöttävää pulssinleveysmodulaation (PWM) käyttöjaksoa, mikä muuttaa käämiin kohdistuvaa keskimääräistä jännitettä, mikä muuttaa nopeutta. Korkeampi käyttösuhde, enemmän keskimääräistä jännitettä, nopeampi spin. Mikään takaisinkytkentäsilmukka ei tarkista, saavuttiko moottori todella vaaditun nopeuden – ohjain vain käskee käyttöjaksoa ja luottaa moottorin seuraamaan sitä.

Tämä lähestymistapa on yleinen, koska se on halpa ja helppo toteuttaa Texas Instrumentsin sovellusopastus anturoidussa BLDC-ohjauksessa toteaa, että se toimii hyvin erityisesti järjestelmissä, joissa syötteen ja tuloksena olevan nopeuden välinen suhde on ennustettavissa ja tiukka seuranta ei ole kriittinen. Kompromissi näkyy vaihtelevalla kuormituksella: ilman palautetta äkillinen kuormituksen kasvu hidastaa nopeutta, eikä säädin voi tietää, että sen tarvitsee kompensoida.

Suljetun silmukan nopeudensäätö: Hall-anturit ja palaute

Suljetun silmukan ohjaus ratkaisee tämän kuolleen kulman lisäämällä takaisinkytkentäsignaalin – yleensä kommutointia varten jo olevista Hall-antureista, joskus erillisestä kooderista. Säädin vertaa jatkuvasti todellista nopeutta kohteeseen, laskee virheen ja säätää PWM:n toimintajaksoa reaaliajassa sulkeakseen aukon.

Koska Hall-anturit raportoivat jo roottorin asennon kommutointitarkoituksiin, nopeuden johtaminen Hall-tilasiirtymien välisestä ajoituksesta lisää vähän ylimääräisiä laitteistokustannuksia. Tämä tekee Hall-pohjaisesta suljetun silmukan ohjauksesta oletusvaihtoehdon useimmissa kaupallisissa BLDC-sovelluksissa – se pitää nopeuden tasaisena kuormituksen muuttuessa ilman erillistä nopeusanturia.

PI- ja PID-säätö: Suljetun silmukan tarkkuuden takana olevat algoritmit

Suljetun silmukan ohjauksen matematiikka perustuu yleensä PI- tai PID-säätimeen, joka vaikuttaa tavoite- ja todellisen nopeuden väliseen virheeseen.

PI (Proportional-Integral) -ohjain yhdistää suhteellisen termin, joka reagoi nykyiseen virheeseen, integraalitermiin, joka kerää aikaisemman virheen ajan myötä, mikä eliminoi pienen vakaan tilan poikkeaman, jonka suhteellinen termi yksin jättäisi jälkeensä. Johdannaisen lisääminen tekee siitä täyden PID-säätimen, joka reagoi myös virheen muutosnopeuteen – hyödyllinen vaimennuksen ylityksen järjestelmissä, joiden on asettuttava tavoitenopeuteen nopeasti värähtelemättä sen ohi.

PI-säätö on yleensä käytännöllinen oletusarvo yleiskäyttöisessä nopeudensäädössä, koska se on yksinkertaisempi virittää ja vähemmän herkkä anturin kohinalle kuin täysi PID-silmukka. PID ansaitsee ylimääräisen monimutkaisuutensa sovelluksissa, kuten robotiikassa tai droneissa, joissa nopea, tarkka asettuminen uuteen vauhtiin on tärkeämpää kuin virityksen yksinkertaisuus.

Kuinka ohjaimen valinta vaikuttaa todellisen nopeudensäädön laatuun

Ohjausalgoritmi toimii vain yhtä hyvin kuin sitä suorittava laitteisto. Ohjain, jossa on hidas säätösilmukka tai huono virran tunnistus, etsii silti ja viiveellä, vaikka PID-vahvistukset olisivat hyvin viritetty, minkä vuoksi vastenopeudella on merkitystä laitteiston, ei vain ohjelmiston kannalta. Nopeasti reagoiva ohjain, joka on viritetty nopeaan nopeuden korjaukseen lyhentää kuormituksen muutoksen ja ohjaimen kompensoivan vasteen välistä viivettä, mikä itse asiassa määrittää, kuinka vakaalta moottori tuntuu todellisissa kuormituksen heilahteluissa mieluummin kuin puhtaassa penkkitestissä.

PWM-kytkentätaajuus ja sen vuorovaikutus moottorin käämien kanssa vaikuttavat myös nopeudensäädön kuultavaan ja mekaaniseen puoleen – huonosti viritetty kytkentäkaavio voi aiheuttaa vinkumista tai tärinää, joka pahenee käyttöjakson muuttuessa. Erittäin hiljainen ohjain, joka pitää PWM-kytkentämelun alhaisena nopeudella käsittelee sitä suoraan, millä on merkitystä kuluttajasovelluksissa, joissa moottorin kuuluva ääni on yhtä lailla valituksen aiheuttaja kuin raaka suorituskyky.

Säädin ja moottori takaavat luotettavan nopeudensäädön

Jopa hyvin suunniteltu suljetun silmukan ohjain ei pysty kompensoimaan eroa sen nykyisen luokituksen, Hall-anturin kokoonpanon ja sen käyttämän moottorin välillä. Napaluku, vaiheresistanssi ja anturin ajoitus vaikuttavat siihen, kuinka siististi ohjain pystyy lukemaan palautetta ja reagoimaan, ja yhteensopimaton pariliitos näkyy karkeana hidaskäyntinä, ylikuumenemisena tai nopeuden säätelynä, joka ei koskaan ratkea. Ohjaimen ja moottorin pariliitosoppaamme kattaa kuinka tarkistaa, että ohjaimen tekniset tiedot todella sopivat moottoriin, jota sillä on tarkoitus käyttää, ennen kuin ongelmat ilmenevät kentällä.

Lukijoille, jotka haluavat mennä syvemmälle siihen, kuinka itse ohjausalgoritmi toteutetaan laiteohjelmistossa, syvemmälle tarkastelumme nykyaikaisten moottoriohjainten takana olevaan ohjelmistokerrokseen kattaa kuinka nämä ohjaussilmukat rakennetaan ja viritetään laiteohjelmistotasolla.