Motor kontrol profesyonel bilgisi, ilkeleri, yöntemleri ve deneyim özetinin kapsamlı analizi!
BLDC motor kontrol algoritması
Fırçasız motor kendiliğinden değiştirilen bir tiptir (kendi kendine yön değiştirme), bu nedenle kontrolü daha karmaşıktır.
BLDC motor kontrolü, rektifiye etme ve yönlendirme için motorun rotor konumu ve mekanizması hakkında bilgi sahibi olmayı gerektirir. Kapalı döngü hız kontrolü için, motor hız gücünü kontrol etmek için rotor hızını / veya motor akımını ve PWM sinyalini ölçmek gibi iki ek gereksinim vardır.
BLDC motorları, uygulama gereksinimlerine göre yana hizalı veya merkeze hizalı PWM sinyallerini benimseyebilir. Çoğu uygulama yalnızca hız değiştirme işlemi gerektirir ve 6 bağımsız yana hizalı PWM sinyali kullanır. Bu, en yüksek çözünürlüğü sağlar. Uygulama sunucu konumlandırma, dinamik frenleme veya güç ters çevirme gerektiriyorsa, ek bir merkez dizi PWM sinyali kullanılması önerilir.
Rotor konumunu algılamak için BLDC motorlar, mutlak konum algılama sağlamak için Hall etkisi sensörleri kullanır. Bu, daha fazla hat ve daha yüksek maliyetlere yol açar. Sensörsüz BLDC kontrolü, Hall sensörlerine olan ihtiyacı ortadan kaldırır, ancak rotor konumunu tahmin etmek için motorun arka elektromotor kuvvetini (elektromotor kuvveti) kullanır. Sensörsüz kontrol, fanlar ve pompalar gibi düşük maliyetli değişken hızlı uygulamalar için çok önemlidir. BLDC motorları kullanırken, buzdolapları ve klima kompresörleri de sensörsüz kontrole ihtiyaç duyar.
Ölü zamanın eklenmesi ve tamamlanması
Çoğu BLDC motoru tamamlayıcı PWM, ölü zaman ekleme veya ölü zaman telafisi gerektirmez. Bu özellikleri gerektirebilecek BLDC uygulamaları yalnızca yüksek performanslı BLDC servo motorlar, sinüs dalgası uyarımlı BLDC motorlar, fırçasız AC veya PC senkron motorlardır.
Kontrol algoritması
BLDC motorların kontrolünü sağlamak için birçok farklı kontrol algoritması kullanılır. Tipik olarak, motor voltajını kontrol etmek için doğrusal bir regülatör olarak bir güç transistörü kullanılır. Bu yöntem, yüksek güçlü motorları sürerken pratik değildir. Yüksek güçlü motorlar, PWM kontrolünü benimsemeli ve çalıştırma ve kontrol işlevleri sağlamak için bir mikro denetleyici gerektirmelidir.
Kontrol algoritması aşağıdaki üç işlevi sağlamalıdır:
Motor hızını kontrol etmek için PWM voltajı
Motoru değiştirmek için kullanılan mekanizma
Rotor konumunu tahmin etmek için arka elektromotor kuvvetini veya Hall sensörünü kullanma yöntemi
Darbe genişlik modülasyonu yalnızca motor sargılarına değişken voltaj uygulamak için kullanılır. Etkili voltaj, PWM görev döngüsü ile orantılıdır. Doğru komutasyon elde edildiğinde, BLDC'nin tork hızı özellikleri aşağıdaki DC motorlarla aynıdır. Motorun hızını ve değişken torkunu kontrol etmek için değişken voltaj kullanılabilir.
Güç transistörünün komütasyonu, rotor konumuna göre en iyi torku üretebilen statordaki doğru sarımı gerçekleştirir. Bir BLDC motorda, MCU rotorun konumunu bilmeli ve doğru zamanda değişebilmelidir.
BLDC motorun trapez değişimi
DC fırçasız motorlar için en basit yöntemlerden biri, yamuk değiştirme adı verilen yöntemi kullanmaktır.
Şekil 1: BLDC motorlar için merdiven denetleyicinin basitleştirilmiş blok şeması
Bu şematik diyagramda, her seferinde akımı kontrol etmek için bir çift motor terminali kullanılır ve üçüncü motor terminali her zaman güç kaynağından elektronik olarak ayrılır.
Büyük motorlara gömülü üç Hall cihazı dijital sinyaller sağlamak için kullanılır.Rotorun 60 derecelik bir sektördeki konumunu ölçerler ve bu bilgiyi motor kontrolörü üzerinde sağlarlar. İki sargıdaki akımlar her seferinde eşit olduğundan ve üçüncü sargıdaki akım sıfır olduğundan, bu yöntem yalnızca altı yönden biriyle bir akım uzay vektörü oluşturabilir. Motor döndükçe, motor terminalindeki elektrik akımı her 60 derecede bir değiştirilir (doğrultucu komütasyonu), böylece mevcut uzay vektörü her zaman 90 derecelik bir faz kayması ile 30 dereceye en yakın konumdadır.
Şekil 2: Trapez kontrol: doğrultucuda sürücü dalga formu ve tork
Bu nedenle, her sargının akım dalga formu, sıfırdan pozitif akıma sıfıra ve ardından negatif akıma başlayarak yamuk şeklindedir. Bu, mevcut bir uzay vektörü yaratır, rotorun dönüşü ile altı farklı yönde adım attığında, dengeye yakın dönecektir.
Klimalar ve buzdolapları gibi motor uygulamalarında, Hall sensörlerinin kullanımı sabit bir seçim değildir. Bağlantısız sargılarda indüklenen geri EMF sensörleri aynı sonucu elde etmek için kullanılabilir.
Bu yamuk tahrik sistemi, kontrol devresinin basitliğinden dolayı çok yaygındır, ancak düzeltme işlemi sırasında tork dalgalanması sorunlarıyla karşılaşırlar.
BLDC motorun sinüzoidal değişimi
Trapez değiştirme, dengeli ve hassas fırçasız DC motor kontrolü sağlamak için yeterli değildir. Bunun temel nedeni, üç fazlı fırçasız bir motorda (normal geri dalga EMF ile) üretilen torkun aşağıdaki denklemle tanımlanmasıdır: Mil torku = Kt
Bunlar arasında: o şaftın elektriksel açısı Kt, motorun tork sabit IR'si, IS ve IT faz akımlarıdır.Faz akımı sinüzoidal ise: IR = I0Sino; IS = I0Sin (+ 120o); IT = I0Sin (+ 240o)
Şaft torku = 1.5I0 * Kt (şaft açısından bağımsız sabit)
Sinüs doğrultucu değiştirmeli fırçasız motor kontrolörü, üç motor sargısını çalıştırmaya çalışır ve üç akımı, motorun dönüşüyle sinüzoidal olarak değişir. Bu akımların göreceli fazları, rotor akımının düzgün bir uzay vektörü üretecekleri, yön rotora dik ve değişmez olacak şekilde seçilir. Bu, kuzeye yönlendirme ile ilişkili tork dalgalanmalarını ve direksiyon darbelerini ortadan kaldırır.
Motor dönerken motor akımının düzgün bir sinüs dalgası modülasyonu oluşturmak için, rotor konumunun doğru bir şekilde ölçülmesi gerekir. Hall cihazı, yalnızca amaca ulaşmak için yeterli olmayan rotor konumunun kaba bir hesaplamasını sağlar. Bu nedenle, bir kodlayıcıdan veya benzer bir cihazdan açısal geri bildirim gereklidir.
Şekil 3: BLDC motor sinüs dalgası denetleyicisinin basitleştirilmiş blok şeması
Sabit bir sabit rotor akım uzay vektörü oluşturmak için sargı akımlarının birleştirilmesi gerektiğinden ve stator sargısının her konumu 120 derecelik bir açı ile ayrıldığından, her bir tel grubunun akımı sinüzoidal olmalı ve faz kayması 120 derecedir. Kodlayıcıdaki konum bilgisi, iki sinüs dalgasını sentezlemek için kullanılır ve ikisi arasındaki faz kayması 120 derecedir. Bu sinyaller daha sonra tork komutu ile çarpılır, böylece sinüs dalgasının genliği gerekli tork ile orantılıdır. Sonuç olarak, iki sinüs dalgası akımı komutu uygun şekilde aşamalandırılır ve bu da dik yönlerde dönen bir stator akım uzay vektörü ile sonuçlanır.
Sinüzoidal akım komut sinyali, iki uygun motor sargısındaki akımı modüle eden bir çift P-I kontrolör çıkarır. Üçüncü rotor sargısındaki akım, kontrollü sargı akımının negatif toplamıdır ve bu nedenle ayrı ayrı kontrol edilemez. Her bir P-I denetleyicinin çıkışı, bir PWM modülatörüne ve ardından çıkış köprüsüne ve iki motor terminaline gönderilir. Üçüncü motor terminaline uygulanan voltaj, ilk iki tel grubuna uygulanan sinyallerin negatif toplamından türetilir ve uygun şekilde 120 derece ayrılmış üç sinüzoidal voltaj için kullanılır.
Sonuç olarak, gerçek çıkış akımı dalga biçimi sinüzoidal akım komut sinyalini doğru bir şekilde izler ve ortaya çıkan mevcut uzay vektörü düzgün bir şekilde döner, kantitatif olarak kararlıdır ve istenen yönde konumlandırılır.
Genel olarak, yamuk düzeltmeli direksiyon, kararlı kontrol sinüzoidal düzeltme yönlendirme sonucunu elde edemez. Ancak düşük motor hızlarında yüksek verimi nedeniyle yüksek motor hızlarında ayrılacaktır. Bunun nedeni, hızın artması ve mevcut dönüş kontrol cihazının artan frekansla sinüzoidal bir sinyali takip etmesi gerektiğidir. Aynı zamanda, hız arttıkça genlik ve frekansta artan motorun arka EMF'sinin üstesinden gelmeleri gerekir.
P-I kontrolör sınırlı kazanç ve frekans tepkisine sahip olduğu için, akım kontrol döngüsüne zaman değişkenli girişim, motor akımında faz gecikmesine ve kazanç hatasına neden olacaktır.Hız ne kadar yüksekse, hata o kadar büyük olur. Bu, rotora göre mevcut uzay vektörünün yönüne müdahale ederek ortogonal yönde yer değiştirmeye neden olacaktır.
Bu olduğunda, belirli bir miktarda akım daha küçük bir tork üretebilir, bu nedenle torku korumak için daha fazla akıma ihtiyaç vardır. Verimlilik azalır.
Hız arttıkça bu düşüş devam edecek. Bir dereceye kadar, akımın faz kayması 90 dereceyi aşıyor. Bu olduğunda, tork sıfıra düşürülür. Sinüzoidlerin kombinasyonu yoluyla, yukarıdaki hız negatif torkla sonuçlanır, bu nedenle elde edilemez.
AC motor kontrol algoritması
Skaler kontrol
Skaler kontrol (veya V / Hz kontrolü), komut verilen bir motorun hızını kontrol etmenin basit bir yoludur
Komut verilen motorun sabit durum modeli esas olarak teknoloji elde etmek için kullanılır, bu nedenle geçici performans elde etmek imkansızdır. Sistemin bir akım döngüsü yok. Motoru kontrol etmek için, üç fazlı güç kaynağı yalnızca genlik ve frekansta değişir.
Vektör kontrolü veya alan odaklı kontrol
Motordaki tork, stator ve rotor manyetik alanlarının işlevi ile değişir ve iki manyetik alan birbirine dik olduğunda bir zirveye ulaşır. Skaler tabanlı kontrolde, iki manyetik alan arasındaki açı önemli ölçüde değişir.
Vektör kontrolü, AC motorlarda yine ortogonal bir ilişki oluşturmayı başarır. Torku kontrol etmek için, her biri DC makinesinin tepkisini elde etmek için üretilen manyetik akıdan akım üretir.
Bir AC komut motorunun vektör kontrolü, tek bir uyarılmış DC motorun kontrolüne benzer. Bir DC motorda, alan akımı IF tarafından üretilen manyetik alan enerjisi F, armatür akımı IA tarafından üretilen armatür manyetik akısına A ortogonaldir. Bu manyetik alanların hepsi ayrıştırılmış ve birbirine stabildir. Bu nedenle, torku kontrol etmek için armatür akımı kontrol edildiğinde, manyetik alan enerjisi etkilenmeden kalır ve daha hızlı bir geçici yanıt elde edilir.
Üç fazlı bir AC motorun alan odaklı kontrolü (FOC), bir DC motorun çalışmasını taklit etmeyi içerir. Tüm kontrollü değişkenler matematiksel dönüşüm yoluyla AC yerine DC'ye dönüştürülür. Hedefinin tork ve akısının bağımsız kontrolü.
Alan Odaklı Kontrolün (FOC) iki yöntemi vardır: Doğrudan FOC: Rotor manyetik alanının yönü (Rotor akı açısı) doğrudan manyetik akı gözlemcisi tarafından hesaplanır Dolaylı FOC: Rotor manyetik alanının yönü (Rotor akı açısı) rotor hızı ve kayma ile tahmin edilir veya ölçülür. Dolaylı olarak elde edilmiştir.
Vektör kontrolü, rotor akısının konumu hakkında bilgi gerektirir ve gelişmiş algoritmalar yoluyla hesaplamak için terminal akımı ve voltajı bilgisini (AC endüksiyon motorunun dinamik modelini kullanarak) kullanabilir. Bununla birlikte, uygulama açısından bakıldığında, bilgi işlem kaynaklarına olan talep çok önemlidir.
Vektör kontrol algoritması farklı şekillerde uygulanabilir. İleri beslemeli teknikler, model tahmini ve uyarlanabilir kontrol tekniklerinin tümü, tepkiyi ve kararlılığı artırmak için kullanılabilir.
AC motorların vektör kontrolü: derinlemesine bir anlayış
Vektör kontrol algoritmasının özü iki önemli dönüşümdür: Clark dönüşümü, Park dönüşümü ve ters işlemleri. Kontrol edilebilen rotor akımını rotor alanına getirmek için Clark ve Park dönüşümünü kullanın. Bu, dinamik olarak değişen yükler altında torku en üst düzeye çıkarmak için rotor kontrol sisteminin rotora sağlanması gereken voltajı belirlemesine izin verir.
Clark dönüşümü: Clark matematik dönüşümü, üç aşamalı bir sistemi iki koordinat sistemine dönüştürür:
Bunlar arasında, Ia ve Ib ortogonal referans düzlemin parçasıdır ve Io önemsiz homoplanar kısımdır.
Şekil 4: Üç fazlı rotor akımı ile dönen referans çerçevesi arasındaki ilişki
Park dönüşümü: Park matematiksel dönüşümü, çift yönlü bir statik sistemi dönen bir sistem vektörüne dönüştürür
İki fazlı , çerçeveleri Clarke dönüşümü ile hesaplanır ve ardından vektör rotasyon modülüne girilir, burada rotor açısını rotor enerjisine bağlı d, q çerçevelerine uyacak şekilde döndürür. Yukarıdaki formüle göre, açısının dönüşümü gerçekleştirilir.
AC motor alan odaklı vektör kontrolünün temel yapısı
Clarke dönüşümü, IA, IB ve IC olmak üzere üç fazlı akımları kullanır.Sabit koordinatlarda stator fazındaki bu iki akım, Park dönüşümü d ve q'nun unsurları haline gelen Isd ve Isq'e dönüştürülür. Motor akı modeli tarafından hesaplanan akım Isd, Isq ve anlık akış açısı , AC endüksiyon motorunun elektrik torkunu hesaplamak için kullanılır.
Şekil 2: Vektör kontrollü AC motorun temel prensibi
Türetilen bu değerler referans değerlerle karşılaştırılır ve PI kontrolörü tarafından güncellenir.
Vektör tabanlı motor kontrolünün doğal bir avantajı, çeşitli AC, PM-AC veya BLDC motor türlerini kontrol etmek için uygun matematiksel modelleri seçmek için aynı prensibin kullanılabilmesidir.
BLDC motorun vektör kontrolü
BLDC motor, alan odaklı vektör kontrolü için ana seçimdir. FOC'li fırçasız motor, daha yüksek verim elde edebilir, en yüksek verimlilik% 95'e ulaşabilir ve motor için yüksek hızda çok verimlidir.
Step motor kontrolü
Step motor kontrolü genellikle çift yönlü tahrik akımını benimser ve motor adımı, sargıları sırayla değiştirerek gerçekleştirilir. Genellikle bu step motorun 3 sürüş sırası vardır:
1. Tek fazlı tam kademeli sürücü:
Bu modda, sargıları AB / CD / BA / DC sırasına göre enerjilendirilir (BA, sargı AB'nin ters yönde enerjilendirildiği anlamına gelir). Bu sıraya tek fazlı tam adım modu veya dalga sürücü modu denir. Herhangi bir zamanda, yalnızca bir faza enerji verilir.
2. İki fazlı tam kademeli sürücü:
Bu modda, iki faz birlikte enerjilendirilir, böylece rotor her zaman iki kutup arasındadır. Bu moda iki fazlı tam adımlama denir, bu mod iki kutuplu motorların normal sürüş dizisidir ve maksimum tork çıkarılabilir.
3. Yarım adım modu:
Bu mod, güç sağlamak için tek fazlı adımlamayı ve iki fazlı adımlamayı birleştirir: tek fazlı çalıştırma, ardından iki fazlı çalıştırma, ardından tek fazlı çalıştırma ... Bu nedenle, motor yarım kademeli artışlarla çalışır. Bu moda yarım adım modu denir Her motor uyarımının etkin adım açısı yarı yarıya azaltılır ve çıkış torku da daha düşüktür.
Yukarıdaki 3 mod, ters yönde (saat yönünün tersine) döndürmek için kullanılabilir, sıra tersine çevrilirse çalışmayacaktır.
Genel olarak, adımlı motorların adım açısını azaltmak için birden fazla kutbu vardır, ancak sargıların sayısı ve sürüş sırası değişmez.
Genel DC motor kontrol algoritması
Genel amaçlı motorların hız kontrolü, özellikle iki devreli motorlar: faz açısı kontrolü, PWM doğrama kontrolü
Faz açısı kontrolü
Faz açısı kontrolü, genel motor hız kontrolü için en basit yöntemdir. Hız, TRIAC'ın ark açısının değişmesiyle kontrol edilir. Faz açısı kontrolü çok ekonomik bir çözümdür, ancak çok verimli değildir ve elektromanyetik girişime (EMI) eğilimlidir.
Genel motorun faz açısı kontrolü
Yukarıdaki diyagram, TRIAC hız kontrolünün tipik bir uygulaması olan faz açısı kontrol mekanizmasını göstermektedir. TRIAC kapı darbesinin döngü fazı hareketi, farklı motor hızlarına neden olan verimli bir voltaj üretir ve kapı darbesini geciktirmek için bir zamanlama referansı oluşturmak için bir sıfır geçiş algılama devresi benimsenir.
PWM doğrama kontrolü
PWM kontrolü, genel motor hız kontrolü için daha gelişmiş bir çözümdür. Bu çözümde, güç MOFSET veya IGBT, motor için zamanla değişen bir voltaj oluşturmak için yüksek frekanslı doğrultulmuş AC hat voltajını açar.
Genel motorun PWM doğrama kontrolü
Anahtarlama frekansı aralığı, gürültüyü ortadan kaldırmak için genellikle 10-20 KHz'dir. Bu genel motor kontrol yöntemi, daha iyi akım kontrolü ve daha iyi EMI performansı ve dolayısıyla daha yüksek verimlilik sağlayabilir.
