Sterowanie prędkością silnika BLDC: objaśnienie pętli otwartej, pętli zamkniętej i PID

Dlaczego silniki BLDC wymagają aktywnej kontroli prędkości

Szczotkowy silnik prądu stałego zwalnia lub przyspiesza w dość bezpośredni sposób – zmień napięcie na szczotkach, a silnik zareaguje. Bezszczotkowy silnik prądu stałego (BLDC) nie zapewnia takiego luksusu. Bez szczotek i komutatora mechanicznego coś innego musi decydować, które uzwojenie zostanie zasilone w jakim momencie, a ten sam system będzie również odpowiedzialny za prędkość.

Tym „czymś innym” jest sterownik silnika. Przełącza prąd przez uzwojenia trójfazowe we właściwej kolejności, aby silnik się obracał, a dostosowując sposób, w jaki odbywa się to przełączanie, ustala również prędkość obracania się wirnika. Jeśli zastosujesz błędną strategię sterowania, silnik albo nie będzie w stanie osiągnąć żądanej prędkości, albo będzie wahał się i oscylował, zamiast utrzymać stałą prędkość – problem, który stale pojawia się w silniki w piastach, powszechnie łączone z napędami BLDC z regulacją prędkości w rowerach elektrycznych i lekkich pojazdach elektrycznych, gdzie rowerzyści oczekują natychmiastowej i liniowej reakcji przepustnicy.

Sterowanie prędkością w otwartej pętli: cykl pracy PWM

Najprostszym sposobem kontrolowania prędkości silnika BLDC jest pętla otwarta: sterownik reguluje cykl pracy modulacji szerokości impulsu (PWM) zasilający tranzystory mocy, co zmienia średnie napięcie przyłożone do uzwojeń, co zmienia prędkość. Wyższy cykl pracy, większe średnie napięcie, szybsze wirowanie. Żadna pętla sprzężenia zwrotnego nie sprawdza, czy silnik faktycznie osiągnął żądaną prędkość — sterownik po prostu zarządza cykl pracy i ufa, że ​​silnik będzie podążał.

To podejście jest powszechne, ponieważ jest tanie i proste we wdrożeniu Wytyczne firmy Texas Instruments dotyczące stosowania czujników BLDC zauważa, że działa to dobrze szczególnie w systemach, w których związek między prędkością wejściową a wynikającą z niej prędkością jest przewidywalny, a ścisłe śledzenie nie jest krytyczne. Kompromis pojawia się przy zmiennym obciążeniu: bez sprzężenia zwrotnego nagły wzrost obciążenia powoduje zmniejszenie prędkości, a sterownik nie ma możliwości dowiedzieć się, że musi to skompensować.

Sterowanie prędkością w pętli zamkniętej: czujniki Halla i sprzężenie zwrotne

Sterowanie w pętli zamkniętej rozwiązuje ten martwy punkt poprzez dodanie sygnału sprzężenia zwrotnego — zwykle z czujników Halla już obecnych do komutacji, czasami z dedykowanego enkodera. Sterownik w sposób ciągły porównuje rzeczywistą prędkość z docelową, oblicza błąd i dostosowuje cykl pracy PWM w czasie rzeczywistym, aby zamknąć lukę.

Ponieważ czujniki Halla już zgłaszają położenie wirnika do celów komutacji, wyznaczanie prędkości na podstawie czasu pomiędzy przejściami stanu Halla nie powoduje dodatkowych kosztów sprzętu. To sprawia, że ​​sterowanie w pętli zamkniętej oparte na Hallu jest domyślnym wyborem w większości komercyjnych zastosowań BLDC — utrzymuje stałą prędkość w miarę zmian obciążenia, bez konieczności stosowania oddzielnego czujnika prędkości.

Sterowanie PI i PID: algorytmy zapewniające precyzję w pętli zamkniętej

Matematyka w sterowaniu w pętli zamkniętej zwykle sprowadza się do działania regulatora PI lub PID na błąd między prędkością docelową a rzeczywistą.

Sterownik PI (proporcjonalno-całkujący) łączy składnik proporcjonalny reagujący na bieżący błąd ze składnikiem całkującym, który kumuluje przeszły błąd w czasie, co eliminuje niewielkie przesunięcie stanu ustalonego, jakie pozostawiłby sam składnik proporcjonalny. Dodanie członu pochodnego zamienia go w pełny regulator PID, który reaguje również na szybkość zmiany błędu — jest to przydatne do tłumienia przeregulowań w systemach, które muszą szybko ustalić prędkość docelową bez oscylacji poza nią.

Sterowanie PI jest zwykle praktycznym rozwiązaniem domyślnym w przypadku regulacji prędkości ogólnego przeznaczenia, ponieważ jest prostsze w dostrojeniu i mniej wrażliwe na szum czujnika niż pełna pętla PID. PID zyskuje dodatkową złożoność w zastosowaniach takich jak robotyka czy drony, gdzie szybkie, precyzyjne ustawienie przy nowej prędkości ma większe znaczenie niż prostota strojenia.

Jak wybór sterownika wpływa na jakość kontroli prędkości w świecie rzeczywistym

Algorytm sterujący działa tak dobrze, jak sprzęt go wykonujący. Sterownik z powolną pętlą sterowania lub słabym wykrywaniem prądu będzie nadal „szukał” i opóźniał się nawet przy dobrze dostrojonych wzmocnieniach PID, dlatego też szybkość reakcji ma znaczenie jako specyfikacja sprzętowa, a nie tylko programowa. Kontroler o krótkim czasie reakcji, dostrojony do szybkiej korekty prędkości skraca opóźnienie między zmianą obciążenia a reakcją kompensacyjną sterownika, co w rzeczywistości określa stabilność silnika w rzeczywistych wahaniach obciążenia, a nie w teście na czystym stanowisku.

Częstotliwość przełączania PWM i jej interakcja z uzwojeniami silnika wpływa również na akustyczną i mechaniczną stronę kontroli prędkości — źle dostrojony schemat przełączania może powodować wycie lub wibracje, które nasilają się w miarę zmiany cyklu pracy. Niezwykle cichy kontroler, który utrzymuje niski poziom hałasu przełączania PWM przy dużej prędkości rozwiązuje ten problem bezpośrednio, co ma znaczenie w zastosowaniach konsumenckich, gdzie słyszalny hałas silnika jest w równym stopniu powodem reklamacji, jak surowa wydajność.

Dopasowanie sterownika do silnika w celu zapewnienia niezawodnej kontroli prędkości

Nawet dobrze zaprojektowany sterownik w pętli zamkniętej nie jest w stanie skompensować niedopasowania pomiędzy jego prądem znamionowym, konfiguracją czujnika Halla i napędzanym silnikiem. Liczba biegunów, rezystancja fazowa i synchronizacja czujnika wpływają na to, jak dobrze sterownik może odczytać sprzężenie zwrotne i zareagować, a niedopasowane parowanie objawia się nierówną pracą przy niskiej prędkości, nadmiernym nagrzewaniem się lub kontrolą prędkości, która nigdy nie jest do końca ustalona. Nasz przewodnik parowania kontrolera i silnika omawia, jak sprawdzić, czy specyfikacje sterownika rzeczywiście odpowiadają silnikowi, który ma napędzać, zanim problemy pojawią się w terenie.

Dla czytelników, którzy chcą głębiej poznać sposób implementacji samego algorytmu sterującego w oprogramowaniu sprzętowym, nasze głębsze spojrzenie na warstwę oprogramowania stojącą za nowoczesnymi sterownikami silników opisuje strukturę i dostrajanie tych pętli sterowania na poziomie oprogramowania sprzętowego.